Gromada galaktyk LCDCS-0829, zaobserwowana przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a. Ta gromada galaktyk przyspiesza od nas, a za kilka miliardów lat stanie się nieosiągalna, nawet przy prędkości światła. Źródło zdjęcia: ESA / Hubble & NASA.

Jak zrozumieliśmy kosmiczną otchłań?

Spoglądanie w tę wielką, mroczną niewiadomą było tajemnicą przez tysiące lat. Już nie!

„Nauka nie może powiedzieć teologii, jak skonstruować doktrynę stworzenia, ale nie można skonstruować doktryny stworzenia bez uwzględnienia wieku wszechświata i ewolucyjnego charakteru historii kosmicznej”. -John Polkinghorne

Spojrzenie w nocne niebo budzi wiele pytań, o które mogłaby się zastanawiać każda inteligentna, ciekawa osoba:

  • Jakie są te punkty światła na niebie?
  • Czy istnieją inne Słońca takie jak nasze, a jeśli tak, to czy mają planety takie jak my?
  • Jak daleko są gwiazdy i jak długo żyją?
  • Co leży poza naszą galaktyką Drogi Mlecznej?
  • Jak wygląda cały wszechświat?
  • A jak to się stało?

Przez tysiące lat były to pytania dla poetów, filozofów i teologów. Ale naukowo nie tylko odkryliśmy odpowiedzi na wszystkie te pytania, ale odpowiedzi podniosły niektóre jeszcze większe, których nigdy nie mogliśmy się spodziewać.

Standardowa kosmiczna oś czasu w historii naszego Wszechświata. Źródło zdjęcia: NASA / CXC / M.Weiss.

Z wyjątkiem kilku ciał w Układzie Słonecznym, które odbijają światło słoneczne z powrotem na nas, każdy punkt świecącego światła, które widzimy na nocnym niebie, jest gwiazdą. Występują w różnych kolorach, od czerwonego przez pomarańczowy do żółtego, od białego do niebieskiego, i są w różnych jasnościach, od około 0,1% tak jasnego jak nasze Słońce do dosłownie milionów razy jasności Słońca. Są tak daleko, że wydają się być w tej samej pozycji nie tylko noc po nocy, ale także rok po roku. Pierwsza próba zmierzenia ich odległości opierała się na jednym założeniu: gdyby gwiazdy były identyczne ze Słońcem, jak jasne byłyby? W oparciu o nasze zrozumienie wpływu odległości na jasność oszacowano, że najjaśniejsza gwiazda nocnego nieba, Syriusz, znajduje się w odległości 0,4 lat świetlnych od nas, co jest ogromną odległością. Gdyby wiedzieli w 1600 roku, ile razy Syriusz był jaśniejszy od Słońca, szacunek odległości byłby mniejszy niż 10%.

Nasze słońce jest gwiazdą klasy G. Chociaż większe, jaśniejsze robią większe wrażenie, jest ich znacznie mniej. Syriusz, gwiazda klasy A, jest 20–25 razy jaśniejszy niż nasze Słońce, ale gwiazdy O, B i A reprezentują tylko 1% gwiazd * ogółem * w galaktyce. Źródło zdjęcia: użytkownik Wikimedia Commons LucasVB.

To, że inne gwiazdy są Słońcami takimi jak nasze, nie zostało udowodnione, dopóki nie wynaleziono spektroskopii, w której mogliśmy rozbić światło na poszczególne długości fal i zobaczyć sygnatury obecności atomów i cząsteczek. Około 90% gwiazd jest mniejszych i słabszych niż nasza, około 5% jest bardziej masywnych i jaśniejszych, a około 5% ma masę, rozmiar i jasność podobną do Słońca. W ciągu ostatnich 25 lat odkryliśmy, że planety są normą wokół gwiazd, potwierdzając ponad 3000 planet poza naszym Układem Słonecznym. Statek kosmiczny Kepler NASA jest zdecydowanie największym narzędziem do odkrywania planet, jakie kiedykolwiek zastosowaliśmy, odkrywając około 90% egzoplanet, jakie znamy dzisiaj.

21 planet Keplera odkrytych w strefach zamieszkiwania ich gwiazd, nie większych niż dwukrotna średnica Ziemi. (Proxima b, nie odkryta u Keplera, zwiększy liczbę do 22). Większość tych światów krąży wokół czerwonych karłów bliżej „dna” wykresu. Źródło zdjęcia: NASA Ames / N. Batalha i W. Stenzel.

Mierząc ruch gwiazdy w wyniku holowania grawitacyjnego jej planet, możemy wywnioskować ich masy i okresy orbitalne. Mierząc, jak bardzo światło gwiazdy przygasa z powodu przechodzącej przed nią planety, możemy zmierzyć zarówno jej okres, jak i rozmiar fizyczny. Do tej pory znaleziono ponad 20 skalistych, mniej więcej ziemskich światów w „potencjalnie zamieszkałych” strefach wokół ich gwiazd, co oznacza, że ​​jeśli te światy mają ziemską atmosferę, będą miały odpowiednie temperatury i ciśnienie dla ciekłej wody na ich powierzchni. Niedawno odkryto, że Proxima Centauri, najbliższa gwiazda dla naszego Słońca, mieści prawdopodobnie najbardziej podobną do Ziemi planetę, oddaloną zaledwie o 4,2 lat świetlnych.

Artystyczna interpretacja Proxima Centauri widziana z „pierścieniowej” części świata, Proxima b. Byłoby to ponad 3-krotność średnicy i 10-krotność powierzchni zajmowanej przez nasze Słońce. Alfa Centauri A i B (pokazane) będą widoczne w ciągu dnia. Źródło zdjęcia: ESO / M. Kornmesser.

Aby dokładnie zmierzyć odległości do gwiazd, najlepszą techniką jest jak najdokładniejszy pomiar ich pozycji przez cały rok. Gdy Ziemia porusza się po swojej orbicie wokół Słońca, podróżując nawet 300 milionów kilometrów od swojej lokalizacji sześć miesięcy wcześniej, najbliższe gwiazdy będą się przesuwać, tak samo jak twój kciuk przesuwa się, jeśli trzymasz go na odległość ramienia i blisko niego najpierw oko, potem otwórz i zamknij drugie.

Metoda paralaksy stosowana przez GAIA polega na zauważeniu widocznej zmiany położenia pobliskiej gwiazdy w stosunku do bardziej odległych gwiazd tła. Zdjęcie: medialab ESA / ATG.

Zjawisko to, znane jako paralaksa, nie zostało dokładnie dokładnie zmierzone do połowy XIX wieku, co dało nam odległość do najbliższych gwiazd. Kiedy już wiesz, jak daleko jest gwiazda i mierzysz jej inne właściwości, możesz użyć tych informacji do zidentyfikowania innych podobnych do niej gwiazd, a tym samym określić, jak daleko jest wszystko, co możesz zobaczyć we Wszechświecie. Możemy przejść od najbliższych gwiazd do wszystkich gwiazd w naszej galaktyce, do gwiazd w galaktykach poza naszą własną, do najdalszych możliwych do zaobserwowania galaktyk.

Hubble eXtreme Deep Field (XDF), które ujawniło około 50% więcej galaktyk na stopień kwadratowy niż poprzednie pole Ultra-Deep. Źródło zdjęcia: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee i P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Uniwersytet Leiden; i zespół HUDF09.

Działa to tak jak drabina, w której wchodzisz na pierwszy szczebel i używasz tego kroku, aby dostać się do następnego szczebla, i za każdym razem, gdy zbliżasz się nieco dalej. Satelita GAIA Europejskiej Agencji Kosmicznej, wystrzelony w 2013 roku, ma na celu zmierzenie pozycji paralaksy milionów gwiazd, zapewniając nam najbezpieczniejszy „pierwszy szczebel” na kosmicznej drabinie odległości wszech czasów.

Mapa gęstości gwiazd na Drodze Mlecznej i otaczającym niebie, wyraźnie pokazująca Drogę Mleczną, duże i małe Chmury Magellana, a jeśli przyjrzysz się dokładniej, NGC 104 na lewo od SMC, NGC 6205 nieco powyżej i na lewo od jądro galaktyczne, a NGC 7078 nieco poniżej. Źródło zdjęcia: ESA / GAIA.

Gwiazdy spalają paliwo tak jak Słońce: przekształcając wodór w hel w rdzeniach. Ten proces fuzji jądrowej emituje olbrzymią ilość energii dzięki E = mc ^ 2 Einsteina, ponieważ każde jądro helu wytwarzane z czterech jąder wodoru jest o 0,7% lżejsze niż to, co zacząłeś. W ciągu 4,5 miliarda lat historii naszego Słońca, stracił on mniej więcej masę Saturna w procesie świecenia tak, jak to robi. Ale w pewnym momencie Słońcu i każdej gwiazdy we Wszechświecie zabraknie paliwa w jego jądrze.

Anatomia Słońca, w tym wewnętrzny rdzeń, który jest jedynym miejscem, w którym zachodzi fuzja. Źródło zdjęcia: NASA / Jenny Mottar.

Kiedy to zrobi, rozszerzy się i zamieni w czerwonego olbrzyma, łącząc hel w węgiel. Jeszcze bardziej masywne gwiazdy stopią węgiel w tlen, tlen w krzem, siarkę i magnez, a najbardziej masywne gwiazdy stopią krzem w żelazo, kobalt i nikiel. Gwiazdy takie jak nasze Słońce umrą miękko, zdmuchując swoje zewnętrzne warstwy w mgławicy planetarnej, podczas gdy najbardziej masywne gwiazdy umrą w katastrofalnej eksplozji supernowej, przy czym oba zawracają ciężkie pierwiastki uformowane z powrotem do ośrodka międzygwiezdnego.

Nasze Słońce będzie miało całkowity czas życia około 12 miliardów lat, podczas gdy gwiazdy o najniższej masie (około 8% masy naszego Słońca) będą spalać swoje paliwo najwolniej, żyjąc przez ponad 10 bilionów lat: wielokrotnie obecny wiek Wszechświata. Ale najbardziej masywne gwiazdy szybciej spalają paliwo, a niektóre gwiazdy żyją zaledwie kilka milionów lat, zanim umrą i wyrzucą ciężkie pierwiastki z powrotem do Wszechświata.

Pozostałość supernowej N 49, znaleziona w naszej własnej Drodze Mlecznej. Źródło zdjęcia: NASA / ESA i The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Te ciężkie pierwiastki, takie jak węgiel, tlen, azot, fosfor, krzem, miedź i żelazo, są nie tylko niezbędne do życia, jakie znamy, ale przede wszystkim do tworzenia planet skalistych. Wiele pokoleń gwiazd żyje, pali się paliwem, umiera i przetwarza te składniki z powrotem w kosmos, gdzie pomagają tworzyć kolejne generacje gwiazd, aby stworzyć świat taki jak Ziemia. I tutaj, z naszej perspektywy, byliśmy w stanie spojrzeć na Wszechświat, nie tylko na wielkie kosmiczne odległości, ale z powrotem w przeszłość Wszechświata.

Galaktyka NGC 7331 z bardziej odległymi galaktykami i bliższymi gwiazdami pierwszego planu również w ramce. Źródło zdjęcia: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

Fakt, że prędkość światła jest skończona i stała, wynosząca 299 792 458 m / s, nie oznacza tylko, że występuje opóźnienie w wysyłaniu sygnałów na bardzo duże odległości. Oznacza to, że kiedy patrzymy na obiekty, które są daleko, widzimy je nie takimi, jakimi są dzisiaj, ale tak, jak były w odległej przeszłości Wszechświata. Spójrz na gwiazdę oddaloną o 20 lat świetlnych, a zobaczysz ją taką, jaką była 20 lat temu. Spójrz na galaktykę oddaloną o 20 milionów lat świetlnych, a zobaczysz ją 20 milionów lat temu.

Galaktyki podobne do Drogi Mlecznej, jak były wcześniej we Wszechświecie. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, P. van Dokkum (Uniwersytet Yale), S. Patel (Uniwersytet Leiden) oraz Zespół 3D-HST.

Byliśmy w stanie spojrzeć tak daleko wstecz, dzięki potężnym teleskopom takim jak Hubble, że byliśmy w stanie oglądać galaktyki we Wszechświecie tak, jak były miliardy lat temu, kiedy Wszechświat był zaledwie kilka procent jego prądu wiek. Widzimy, że galaktyki w przeszłości były mniejsze, mniej masywne, bardziej niebieskie we własnym kolorze, szybciej formując gwiazdy, i były mniej bogate w te ciężkie pierwiastki, które musimy formować planety. Widzimy również, że z czasem galaktyki te łączą się ze sobą, tworząc większe struktury. Możemy połączyć cały ten obraz i wyobrazić sobie, jak ewoluował Wszechświat, aby stał się taki, jaki jest obecnie.

Cały wszechświat jest ogromną kosmiczną siecią, w której galaktyki i gromady galaktyk powstają na przecięciu tych kosmicznych włókien. Pomiędzy nimi znajdują się ogromne kosmiczne pustki pozbawione gwiazd i galaktyk, w których grawitacja w gęstszych regionach odciągnęła tę materię do wykorzystania do innych celów. Widzimy, że dzieje się to dzisiaj w naszej lokalnej skali, gdy galaktyki w lokalnej grupie zbliżają się do siebie. W pewnym momencie, za cztery do siedmiu miliardów lat w przyszłości, nasz najbliższy duży sąsiad, Andromeda, połączy się z naszą Drogą Mleczną, tworząc gigantyczną galaktykę eliptyczną: Milkdromeda.

Seria zdjęć przedstawiających połączenie Drogi Mlecznej z Andromedą oraz pokazujące, jak niebo będzie wyglądać inaczej niż Ziemia. Źródło zdjęcia: NASA; Z. Levay i R. van der Marel, STScI; T. Hallas; i A. Mellinger.

A tymczasem Wszechświat nadal się rozszerza, ku chłodnemu, pustkowiemu, dalszemu losowi. Galaktyki poza naszą lokalną grupą oddalają się od nas samych i od siebie. Rzeczy, które są ze sobą związane grawitacyjnie - planety, gwiazdy, układy słoneczne, galaktyki i gromady galaktyk - pozostaną związane tak długo, jak długo gwiazdy płoną w naszym Wszechświecie. Ale każda pojedyncza grupa galaktyk lub gromada oddalą się od wszystkich innych, gdy Wszechświat staje się coraz chłodniejszy i samotniejszy w miarę upływu czasu.

Cztery możliwe losy Wszechświata z dozwoloną tylko materią, promieniowaniem, krzywizną i stałą kosmologiczną. Dno „losu” potwierdzają dowody. Źródło zdjęcia: E. Siegel, ze swojej książki Beyond The Galaxy.

Co oznacza, że ​​jeśli wrócimy do samego początku i zapytamy, jak to wszystko się stało, mamy:

  • obserwowalny Wszechświat, który rozpoczął się gorącym, gęstym, w większości jednolitym stanem znanym jako Wielki Wybuch;
  • ochłodził się, umożliwiając anihilację materii i antymaterii, pozostawiając jedynie niewielką ilość materii;
  • który dalej się ochładzał, pozwalając protonom i neutronom stopić się w hel bez rozerwania;
  • ochłodził się jeszcze bardziej, umożliwiając tworzenie stabilnych, neutralnych atomów;
  • gdzie niedoskonałości grawitacyjne rosły i rosły, co prowadziło do zlepiania się gazu w niektórych regionach, które stały się wystarczająco gęste, aby utworzyć pierwsze gwiazdy;
  • gdzie najbardziej masywne gwiazdy paliły się przez paliwo, ginęły i zawracały swoje cięższe pierwiastki z powrotem do ośrodka międzygwiezdnego;
  • małe gromady gwiazd i galaktyki zlewały się i rosły, wywołując nowe fale formowania się gwiazd;
  • gdzie po miliardach lat powstają nowe gwiazdy ze skalistymi planetami i składnikami życia;
  • gdzie galaktyki, które je mieszczą, wyrosły w spiralne i eliptyczne olbrzymy, które mamy dzisiaj;
  • i gdzie, 9,2 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, gromada gwiazdowa powstaje w odizolowanej galaktyce spiralnej, w której 2% pierwiastków jest teraz cięższych niż wodór i hel;
  • jednym z nich jest nasze Słońce;
  • i gdzie, po dodatkowych 4,54 (lub tak) miliardach lat, powstaje inteligentny gatunek, który może zacząć składać fragmenty naszej kosmicznej historii, rozumiejąc, skąd pochodzimy.
Fresk Bertiniego z Galileo Galilei przedstawiający Doża Wenecji, jak używać teleskopu, 1858 r.

Jest więcej rzeczy, których się nauczyliśmy i jest więcej głębi do zbadania wszystkich tych problemów. (Moja pierwsza książka, Beyond The Galaxy, właśnie to robi.) Tak, wciąż pracujemy nad pytaniami, takimi jak to, jak powstała asymetria materii / antymaterii, jak powstał i rozpoczął się Wielki Wybuch i jak dokładnie Wszechświat spotka swój ostateczny los. Odpowiedzi na pytania o to, jak wygląda Wszechświat, jak to się stało i co robi fizycznie: nie filozofowie, poeci czy teologowie, ale wysiłki naukowe. A jeśli trzeba odpowiedzieć na nowe duże pytania - te, na które postawiono odpowiedzi na poprzednie duże pytania - to znowu nauka wskaże nam drogę.

Ten post pojawił się po raz pierwszy w Forbes i jest dostarczany bez reklam przez naszych zwolenników Patreon. Skomentuj nasze forum i kup pierwszą książkę: Beyond The Galaxy!