I tusenvis av år har mennesker sett stjernene og lurt på hvordan universet ble til. Men det var ikke før årene av første verdenskrig at forskere utviklet de første observasjonsinstrumentene og teoretiske verktøyene for å forvandle de store spørsmålene til et presist felt: kosmologi.
"Jeg tenker på kosmologi som et av de eldste fagene av menneskelig interesse, men som et av de nyeste vitenskapene," sa Paul Steinhardt, en kosmolog ved Princeton University som studerer om tiden har begynt.
Kosmologi studerer i et nøtteskall kosmos som en enhet, i stedet for å analysere hver for seg stjernene, sorte hull og galakser som fyller det. Dette feltet stiller store spørsmål: Hvor kom universet fra? Hvorfor har den stjerner, galakser og galakse klynger? Hva skal skje videre? "Kosmologi prøver å lage et veldig storstilt bilde av universets natur," sier Glennys Farrar, en partikkelfysiker ved New York University.
Fordi denne disiplinen sliter med mange fenomener, fra partikler i vakuumet til stoffets rom og tid, trekker kosmologi tungt ut på mange felt, inkludert astronomi, astrofysikk og i økende grad partikkelfysikk.
"Kosmologi har deler av den som er fullt i fysikken, deler som er fullt i astrofysikk, og deler som går frem og tilbake," sa Steinhardt. "Det er en del av spenningen."
En historie med universets historie
Feltets tverrfaglige natur er med på å forklare dets relativt sene start. Vårt moderne bilde av universet begynte å komme sammen først på 1920-tallet, kort tid etter at Albert Einstein utviklet teorien om generell relativitet, et matematisk rammeverk som beskriver tyngdekraften som en konsekvens av bøying av rom og tid.
"Før du forstår tyngdekraften, kan du ikke virkelig lage en teori om hvorfor ting er slik de er," sa Steinhardt. Andre krefter har større innvirkning på partikler, men tyngdekraften er den viktigste aktøren på arenaen for planeter, stjerner og galakser. Isaac Newtons beskrivelse av tyngdekraften fungerer ofte også i det riket, men den behandler rom (og tid) som et stivt og uforanderlig bakteppe for å måle hendelser. Einsteins verk viste at rommet i seg selv kunne utvide og trekke seg sammen, og flytte universet fra scene til skuespiller og bringe det inn i striden som et dynamisk objekt å studere.
På midten av 1920-tallet gjorde astronom Edwin Hubble observasjoner fra det nylig bygde 100-tommers (254 centimeter) Hooker-teleskopet ved Mount Wilson Observatory i California. Han forsøkte å avgjøre en debatt om plasseringen av visse skyer i verdensrommet som astronomene kunne se. Hubble beviste at disse "nebulaene" ikke var små, lokale skyer, men i stedet var store, fjerne stjerneklynger som ligner på vår egen Melkevei - "øyaunivers" i tidens parlance. I dag kaller vi dem galakser og vet at de teller i billionene.
De største omveltningene i kosmisk perspektiv var ennå ikke kommet. Hubbles arbeid på slutten av 1920-tallet antydet at galakser i alle retninger var på vei bort fra oss, og utløste flere tiår med ytterligere debatt. Eventuelle målinger av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) - lys som ble til overs fra universets tidlige år og siden strukket til mikrobølger - på 1960-tallet beviste at virkeligheten stemte overens med en av mulighetene som ble antydet av generell relativitet: Med utgangspunkt i små og varme, har universet har blitt større og kaldere siden den gang. Konseptet ble kjent som Big Bang-teorien, og det raslet kosmologer fordi det antydet at selv universet kunne ha en begynnelse og slutt.
Men i det minste kunne astronomene se galaksenes bevegelse i teleskopene. Et av kosmologiens mest seismiske skift, sa Farrar, er ideen om at de aller fleste ting der ute er laget av noe annet, noe helt usynlig. Materialet vi kan se utgjør lite mer enn en kosmisk avrundingsfeil - bare rundt 5% av alt i universet.
Den første denizenen til de andre 95% av universet, det som har blitt kalt den "mørke sektoren", hevet hodet på 1970-tallet. Da innså astronom Vera Rubin at galakser snurret rundt så fort at de burde snurre seg fra hverandre. Mer enn vanskelig å se saken, sa Farrar, de tingene som holder galakser sammen, måtte være noe helt ukjent for fysikere, noe som - bortsett fra dets gravitasjonstrekk - helt ignorerer vanlig materie og lys. Senere kartlegging avdekket at galaksene vi ser ganske enkelt er kjerner i sentrum av kolossale "mørke materie" sfærer. Filamentene av synlig materiale som strekker seg over universet, henger på en mørk ramme som oppveier synlige partikler fem til en.
Hubble-romteleskopet avdekket da tegn på en uventet variasjon av energi - som kosmologene nå sier står for de resterende 70% av universet etter å ha stått for mørk materie (25%) og synlig materie (5%) - på 1990-tallet, da det klokket utvidelsen av universet som fartsovertredelse som et løpende tog. "Mørk energi", muligens en type energi iboende i selve rommet, skyver universet fra hverandre raskere enn tyngdekraften kan trekke sammen kosmos. Om en billion år vil alle astronomer som er igjen i Melkeveien, finne seg i et ekte øyaunivers, innhyllet av mørke.
"Vi er på et overgangspunkt i universets historie, fra der det er dominert av materie til hvor det er dominert av en ny form for energi," sa Steinhardt. "Mørk materie bestemte fortiden vår. Mørk energi vil avgjøre fremtiden vår."
Moderne og fremtidig kosmologi
Gjeldende kosmologi pakker disse landemerkeoppdagelsene inn i dens kroneoppnåelse, Lambda-CDM-modellen. Noen ganger kalt standardmodellen for kosmologi, beskriver dette buntet av ligninger universet fra omtrent det første sekundet og fremover. Modellen antar en viss mengde mørk energi (lambda, for sin representasjon i generell relativitet) og kald mørk materie (CDM) og gjør lignende gjetninger om mengden synlig materie, universets form og andre egenskaper, alt bestemt av eksperimenter og observasjoner.
Spill den babyuniversfilmen frem 13,8 milliarder år, og kosmologer får et øyeblikksbilde som "statistisk sett har alt vi kan måle oss opp til et bestemt punkt," sa Steinhardt. Denne modellen representerer målet å slå når kosmologer skyver beskrivelsene av universet dypere inn i fortiden og i fremtiden.
Så vellykket som Lambda-CDM har vært, har den fremdeles mange knekk som trenger å trene. Kosmologer får motstridende resultater når de prøver å studere universets nåværende ekspansjon, avhengig av om de måler det direkte i nærliggende galakser eller utlede det fra CMB. Denne modellen sier heller ikke noe om sminke av mørk materie eller energi.
Så er det det plagsomme første sekundet av tilværelsen, da universet antagelig gikk fra uendelig flekk til relativistisk veloppdragen boble. "Inflasjon" er en populær teori som prøver å håndtere denne perioden, og forklarer hvordan et kort øyeblikk med enda raskere utvidelse sprengte minuscule urverdier i den store ujevnheten i dagens galakser, samt hvordan Lambda-CDM-inngangene fikk sine verdier .
Ingen vet hvordan inflasjonen fungerte i detalj, men hvorfor den stoppet der den antagelig gjorde. Steinhardt sa at inflasjonen burde ha fortsatt i mange områder i verdensrommet, og antydet at universet vårt bare er en skive av en "multiverse" som inneholder alle mulige fysiske virkeligheter - en usmakelig ide som mange eksperimentelle synes er urovekkende.
For å gjøre fremskritt i spørsmål som disse, ser kosmologer på presisjonsmålinger fra rombaserte teleskoper som Hubble-romteleskopet og det kommende James Webb-romteleskopet, så vel som eksperimenter i det fremvoksende feltet av gravitasjonsbølges astronomi, som National Science Foundation's Laserinterferometer gravitasjonsbølgebe observatorium. Kosmologer blir også med på partikkelfysikere og astrofysikere i et tverrfaglig løp for å oppdage partikler av mørk materie.
Akkurat som kosmologi ikke kunne begynne før andre grener av fysikk hadde modnet, vil den ikke være i stand til å avsløre universets historie før andre områder er mer fullstendige. "For å få historien rett, må du regne ut alt fysikkens lover på alle energiklasser og under alle forhold, "sa Steinhardt. "Og en endring i noen av disse radikalt kunne endre den kosmologiske historien."
Farrar sa at hun ikke vet om det vil skje, men undrer seg over at folk har forstått universets kompleksiteter så mye som de har. "Det er utrolig at den menneskelige hjernen har utviklet seg til det punktet at disse spørsmålene tilsynelatende kan besvares," sa hun. "Noen av dem i det minste."
Ytterligere ressurser:
