Under tusentals år har människor tittat på stjärnorna och undrat hur universum blev. Men det var inte förrän under första världskriget som forskarna utvecklade de första observationsinstrumenten och teoretiska verktygen för att förvandla de stora frågorna till ett exakt studierområde: kosmologi.
"Jag tänker på kosmologi som ett av de äldsta ämnena av mänskligt intresse men som en av de nyaste vetenskaperna," sa Paul Steinhardt, en kosmolog vid Princeton University som studerar om tiden har börjat.
Kosmologi studerar i ett nötskal kosmos som en enhet, snarare än att separat analysera stjärnorna, svarta hålen och galaxerna som fyller det. Detta fält ställer stora frågor: Var kommer universum ifrån? Varför har det stjärnor, galaxer och galaxkluster? Vad händer nu? "Kosmologi försöker göra en väldigt stor bild av universums natur", säger Glennys Farrar, en partikelfysiker vid New York University.
Eftersom denna disciplin kämpar med många fenomen, från partiklar i vakuumet till strukturen i rum och tid, drar kosmologin starkt på många fält, inklusive astronomi, astrofysik och i allt högre grad partikelfysik.
"Kosmologi har delar av den som är helt i fysik, delar som är helt i astrofysik och delar som går fram och tillbaka," sade Steinhardt. "Det är en del av spänningen."
En historia av universums historia
Fältets tvärvetenskapliga karaktär hjälper till att förklara dess relativt sent start. Vår moderna bild av universum började samlas först på 1920-talet, kort efter att Albert Einstein utvecklade teorin om allmän relativitet, en matematisk ram som beskriver tyngdkraften som en följd av böjning av rum och tid.
"Innan du förstår tyngdkraften, kan du inte riktigt göra en teori om varför saker är som de är," sa Steinhardt. Andra krafter har större effekter på partiklar, men tyngdkraften är den viktigaste spelaren på arenan för planeter, stjärnor och galaxer. Isaac Newtons beskrivning av tyngdekraften fungerar ofta även i den världen, men den behandlar rymden (och tiden) som ett styvt och oföränderligt bakgrund som man kan mäta händelser. Einsteins arbete visade att rymden i sig kunde expandera och samarbeta, flytta universum från scen till skådespelare och föra det in i striden som ett dynamiskt objekt att studera.
I mitten av 1920-talet gjorde astronomen Edwin Hubble observationer från det nyligen byggda 100-tums (254 centimeter) Hooker-teleskopet vid Mount Wilson Observatory i Kalifornien. Han försökte lösa en debatt om platsen för vissa moln i rymden som astronomer kunde se. Hubble bevisade att dessa "nebulaer" inte var små, lokala moln utan i stället var stora, avlägsna stjärnkluster som liknade vår egen mjölkväg - "ö-universum" i tidens ståndpunkt. Idag kallar vi dem galaxer och vet att de numrerar i biljonerna.
De största omvälvningarna i kosmiskt perspektiv kom ännu. Hubbles arbete i slutet av 1920-talet antydde att galaxer i alla riktningar påskyndar oss, vilket utlöste årtionden av ytterligare debatt. Eventuella mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) - ljus kvar från universums tidiga år och sedan sträckte sig i mikrovågor - på 1960-talet visade sig att verkligheten matchade en av möjligheterna som föreslogs av den allmänna relativiteten: Utifrån små och heta har universum har blivit större och kallare sedan dess. Konceptet blev känt som Big Bang-teorin, och det raslade kosmologer eftersom det antydde att till och med universum kunde få en början och ett slut.
Men åtminstone dessa astronomer kunde se galaxernas rörelse i sina teleskoper. En av kosmologiens mest seismiska förändringar, säger Farrar, är idén att den stora majoriteten av saker där ute är gjorda av något annat, något helt osynligt. Materialet vi kan se uppgår till lite mer än ett kosmiskt avrundningsfel - bara cirka 5% av allt i universum.
Den första denizenern till de andra 95% av universumet, det som har kommit att kallas den "mörka sektorn", fick sitt huvud på 1970-talet. Då insåg astronomen Vera Rubin att galaxerna snurrade runt så snabbt att de borde snurra sig isär. Mer än svårt att se, sa Farrar, de saker som håller galaxer tillsammans måste vara något helt okänt för fysiker, något som - med undantag för dess gravitationskraft - helt ignorerar vanlig materia och ljus. Senare kartläggning avslöjade att galaxerna vi ser helt enkelt är kärnor i mitten av kolossala "mörk materia" sfärer. Filamenten av synligt material som sträcker sig över universum hänger på en mörk ram som överväger synliga partiklar fem till en.
Hubble Space Telescope avslöjade sedan tecken på en oväntad variation av energi - som kosmologerna nu säger står för de återstående 70% av universum efter att ha redovisat mörk materia (25%) och synlig substans (5%) - under 1990-talet, när det klockade upp universums expansion som snabbare som ett springande tåg. "Mörk energi", möjligen en typ av energi som är inneboende i rymden själv, skjuter universum från varandra snabbare än tyngdkraften kan dra kosmos samman. På biljoner år kommer alla astronomer kvar i Vintergatan att befinna sig i ett verkligt öunivers, omsluten av mörker.
"Vi befinner oss på en övergångspunkt i universums historia, från var den domineras av materia till där den domineras av en ny form av energi," sade Steinhardt. "Mörk materia bestämde vårt förflutna. Mörk energi kommer att avgöra vår framtid."
Modern och framtida kosmologi
Nuvarande kosmologi paketerar dessa landmärkesupptäckter till dess krönande prestation, Lambda-CDM-modellen. Ibland kallad kosmologins standardmodell beskriver detta paket med ekvationer universum från ungefär dess första sekund och framåt. Modellen antar en viss mängd mörk energi (lambda, för dess representation i allmän relativitet) och kall mörk materia (CDM) och gör liknande gissningar om mängden synlig materia, universums form och andra egenskaper, allt bestämt av experiment och observationer.
Spela den baby-universumsfilmen framåt 13,8 miljarder år, och kosmologer får en ögonblicksbild som "statistiskt har allt vi kan mäta upp till en viss punkt," sa Steinhardt. Denna modell representerar målet att slå när kosmologer skjuter sina beskrivningar av universum djupare in i det förflutna och i framtiden.
Lika framgångsrikt som Lambda-CDM har varit, det har fortfarande gott om kinks som behöver träna. Kosmologer får motstridiga resultat när de försöker studera universumets nuvarande expansion, beroende på om de mäter det direkt i närliggande galaxer eller drar det från CMB. Den här modellen säger inte något om smink av mörk materia eller energi heller.
Sedan finns det den besvärliga första sekunden av existensen, då universum förmodligen gick från infinitesimal fläck till relativistiskt väl uppförd bubbla. "Inflation" är en populär teori som försöker hantera denna period och förklarar hur ett kort ögonblick av ännu snabbare expansion sprände minsta primordiala variationer i storskaliga ojämnheter i dagens galaxer, samt hur Lambda-CDM-ingångarna fick sina värden .
Ingen vet dock hur inflationen fungerade i detalj, eller varför den slutade där den antagligen gjorde. Steinhardt sade att inflationen borde ha fortsatt i många rymdregioner, vilket antyder att vårt universum bara är en skiva av en "multivers" som innehåller alla möjliga fysiska verkligheter - en otestabel idé som många experimentalister tycker är oroande.
För att göra framsteg i frågor som dessa ser kosmologer på precisionsmätningar från rymdbaserade teleskop som Hubble Space Telescope och det kommande James Webb Space Telescope, liksom experiment i det framväxande fältet för gravitationsvågastronomi, såsom National Science Foundation's Laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory. Kosmologer deltar också i partikelfysiker och astrofysiker i en tvärvetenskaplig ras för att upptäcka partiklar av mörk materia.
Precis som kosmologin inte kunde börja förrän andra fysikgrenar hade mognat, kommer den inte att kunna avsluta universums historia förrän andra områden är mer fullständiga. fysikens lagar vid alla energivågor och vid alla förhållanden, ”sade Steinhardt. "Och en förändring av någon av dessa kan radikalt förändra den kosmologiska berättelsen."
Farrar sa att hon inte vet om det kommer att hända, men förundras över att människor har tagit upp universums komplexitet så mycket som de har. "Det är fantastiskt att den mänskliga hjärnan har utvecklats till att dessa frågor tydligen kan besvaras," sade hon. "Vissa av dem åtminstone."
Ytterligare Resurser:
