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宇宙学:揭开宇宙的故事

宇宙充满了恒星,煤气,星系,黑洞和更多更多。宇宙学家问:“为什么?”
宇宙充满了恒星,煤气,星系,黑洞和更多更多。宇宙学家问:“为什么?” (图片信用:NASA图像)

几千年来,人类已经看过星星,想知道宇宙如何成为。但直到第一次世界大战的年份,研究人员发展了第一个观察仪器和理论工具,将这些大问题转化为精确的研究领域:宇宙学。

“我认为宇宙是人类兴趣最古老的主题之一,但作为最新的科学之一,”普林斯顿大学宇宙学家保罗斯坦特(Paul Steinhard)说,他们学习时间是否有一个开始。

宇宙学,简而言之,将宇宙作为一个实体研究,而不是分开分析填充它的星星,黑洞和星系。这个领域问了大问题:宇宙来自哪里?为什么它有星星,星系和银河系集群?接下来会发生什么? “宇宙学正试图制作宇宙本质的大规模图片,”纽约大学的粒子物理学家格雷拉尔说。

因为这种纪律抓住了许多现象,从真空中的粒子到空间和时间的织物,宇宙学大量吸引了许多领域,包括天文学,天体物理学,越来越多的粒子物理学。

“宇宙学具有完全有物理的部分,完全在天体物理学的零件以及来回前来的部件,”Steinhardt说。 “那是兴奋的一部分。”

宇宙历史的历史

该领域的跨学科性质有助于解释其相对较晚的开始。我们的现代化宇宙的照片仅在20世纪20年代开始汇集,在艾伯特爱因斯坦开发后不久 一般相对论理论, 由于空间和时间弯曲而描述重力的数学框架。

“在你理解重力的本质之前,你无法真正制定一个理论,为什么事情是他们的方式,”Steinhardt说。其他力对颗粒具有更大的影响,但重力是行星,星星和星系的主要球员。 Isaac Newton对重心的描述通常在该领域工作,但它将空间(和时间)视为刚性和不变的背景,用于测量事件。爱因斯坦的工作表明,空间本身可以扩大和合同,将宇宙从舞台转移到演员,并将其作为动态对象作为攻击。

在20世纪20年代中期,天文学家Edwin Hubble从最近建造了100英寸(254厘米)的妓女在加利福尼亚州威尔逊天文台的挂钩望远镜的观察。他试图在天文学家可以看到的空间中对某些云的位置进行解决。哈勃证明,这些“星云”不小,当地云,而是辽阔,遥远的八星集群类似于我们自己的银河系—“岛屿宇宙”在时间的时候。今天,我们称之为星系,并知道他们 万亿的数字.

宇宙视角中最大的动荡尚未到来。哈勃在20世纪20年代后期的工作建议 每个方向的星系都是超速的 来自我们,触发几十年的进一步辩论。最终测量 宇宙微波背景 (CMB) —从宇宙早期留下的光明,因为延伸到微波炉—在20世纪60年代,现实,现实符合一般相对论所提出的可能性之一:开始小而热,宇宙从那时起一直越来越大。这个概念被称为 大爆炸理论,它响了宇宙学家,因为它暗示宇宙可以有一个开始和结束。

宇宙开始爆炸。宇宙学家预测明星没有't form for another 180 million years. (图片信用:Shutterstock)

但至少那些天文学家可以看到星系在他们的望远镜上的运动。宇宙学最震动的思想之一说,菲尔尔,是绝大多数东西的想法,其中包括别的东西,完全看不见的东西。我们可以看到的材料不仅仅超过宇宙舍入错误—只有大约5%的宇宙中的一切。

其他95%的宇宙的第一个德比恩,在20世纪70年代举办了“黑暗的部门”,饲养了它的脑袋。然后,天文学家Vera Rubin意识到星系在那么快地绕过绕道 应该分开旋转。 Farrar说,不仅仅是难以看见的事情,让星系一起保持覆盖的东西必​​须是物理学家完全不为人知的事情—除了引力拉动—完全忽略普通物质和光线。后来的映射显示,我们看到的星系只是庞大的“暗物质”球体中心的核。可见物质的细丝,围绕宇宙延伸在一个暗框架上,越向可见的粒子五到一个。

然后堵塞望远镜然后揭开了意外各种能量的迹象—哪些宇宙学家现在说占暗物质(25%)和可见的物质(5%)后剩下的70%的宇宙—在20世纪90年代,它将宇宙的扩展速度时钟 加速像一个失控的火车。 “暗能,”可能是一种能量 固有的空间本身,推动宇宙比重力快,可以一起绘制宇宙。在万亿年代,任何以银河系留下的天文学家都会发现自己在一个真正的岛屿宇宙中,被黑暗笼罩着。

“我们处于宇宙历史的过渡点,从它以其以新的能量为主的地位而主导,”Steinhardt说。 “暗物质决定了我们的过去。黑暗能源将决定我们的未来。”

现代和未来的宇宙学

当前的宇宙学将这些地标发现的兴起的成就封装在一起 lambda-cdm模型。有时称为宇宙学的标准模型,这束等式将宇宙描述为首次向前的宇宙。该模型假设一定量的暗能量(Lambda,其表示在一般相对论中的表示)和冷暗物质(CDM),并使宇宙的形状,宇宙形状和其他特征的量类似猜测,全部由实验确定和观察。

斯坦哈德说,播放婴儿宇宙的电影前进138亿年,宇宙学家得到了一个快照“统计上有一切都可以衡量的一切,”Steinhardt说。此模型代表播放的目标,因为宇宙学家将他们对过去的描述更深入地和未来。

就像Lambda-CDM一样成功,它仍然有很多需要锻炼的扭结。 宇宙学家得到冲突的结果 当他们尝试研究宇宙的当前扩展时,根据他们是否直接在附近的星系中测量或从CMB推断出来。该模型也没有说明暗物质或能量的构成。

然后,当宇宙可能从无限斑点斑点到相对良好的泡沫时,这是一个麻烦的第一次存在。 “ 通货膨胀 “这是一种热门理论,试图处理此时期,解释了如何快速扩展的简短时刻将微量的膨胀变化变得更快地进入当今星系的大规模不均匀性,以及Lambda-CDM输入如何获得其值。

然而,没有人知道通货膨胀如何详细效果,或者为什么它已经停止了这一目标。 Steinhardt表示,通货膨胀应该在许多地区继续存在,这意味着我们的宇宙是 只是一片“多层” 包含每个可能的体质现实—许多实验主义者发现令人不安的一个不可论述的想法。

为了提出这些问题,宇宙科学家希望从哈勃太空望远镜和即将举行的詹姆斯韦布斯望远镜等地基望远镜和即将举行的詹姆斯韦伯太空望远镜以及在新兴的引力波天文领域的实验中进行精确测量,如国家科学基金会激光干涉仪重力波天文台。宇宙学家也加入 粒子物理学家天体物理学家 在跨学科的竞争中,以检测暗物质的粒子。

正如宇宙学无法开始,直到物理学的其他分支已经成熟,它将无法完成揭示宇宙的历史,直到其他领域更加完整。“为了让故事直接,你必须基本上锻炼一切Steinhardt说,所有能源尺度和所有条件的物理法则。 “并且任何一个人都可以从根本上改变宇宙学的故事。”

弗拉尔说她不知道这是否会发生,但奇迹奇怪的是,人们尽可能多地抓住了宇宙的复杂性。 “令人惊讶的是,人类大脑已经发展到了这些问题显然可以得到回答的那一点,”她说。 “其中一些至少。”

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