Universumi ajalugu ja struktuur (infograafik)

Kui sa saaksid vaadata universumist väljapoole, et näha, kuidas see välja näeb, mida sa näeksid? (Pildikrediit: Illustratsioon: Karl Tate, mis põhineb fotoga Galaxy M74 (NASA, ESA ja Hubble'i pärandkoostöö) ning Camille Flammarioni (1888) 'Atmosphere: Popular Meteorology' graveeringuga 'Pilgrimi ärkamine'.

Valgustatud universum

Illustratsioon: Karl Tate, mis põhineb Galaxy M74 fotol (NASA, ESA ja Hubble'i pärandkoostöö) ning Camille Flammarioni 1886. aasta gravitatsioonil „Palveränduri ärkamine” filmist „Atmosfäär: populaarne meteoroloogia”.

Meie teekond universumi olemuse mõistmise poole algas tuhandeid aastaid tagasi ning selle juured olid religioonis ja filosoofias. Umbes 2300 aastat tagasi järeldasid Vahemere hoolikad vaatlejad, et Maa peab olema ümmargune ja peab tiirlema ​​ümber Päikese.

Kui aga neid varajasi teooriaid ei suudetud tõestada, ei suutnud nad seista vastu meelitavamale ettekujutusele, et Maa on kõige keskmes ja kosmos eksisteerib inimelu ja saatuse toetamiseks.

Kui Itaalia astronoom Galileo Galilei leiutas astronoomilise teleskoobi umbes 1900 aastat hiljem, oli lõpuks võimalik teha täpseid tähelepanekuid planeetide ja tähtede kohta. Tekkis teadus kogu universumi ehituse ja ajaloo kohta, mida nimetatakse kosmoloogiaks. ESIMENE: Mida me praegu teame >>

Universumi loomiseks sellisel kujul, nagu me seda praegu teame, kulus natuke rohkem kui seitse päeva. guesswhozoo.com vaatleb taeva saladusi meie kaheksaosalises sarjas: Kosmose ajalugu ja tulevik. See on selle sarja 4. osa.

Kogu Enchilada

Hubble'i kosmoseteleskoobi teadusinstituut

Meie praegune arusaam universumi ajaloost on visualiseeritud ülalpool, kusjuures aeg kulgeb vasakult paremale. Me arvame, et kohe pärast selle loomist Suure Paugu ajal laienes universum dramaatiliselt - seda sündmust nimetatakse inflatsiooniks.

Meie Maa tekkis siis, kui universum oli umbes 9,2 miljardit aastat vana. Universumi laienemine jätkub täna ja kiireneb. Selles infograafikute seerias vaatame esmalt universumi struktuuri üha suuremal skaalal ja saame veidi teada, kuidas jõudsime selle praegusele arusaamisele. Meie jada teises osas alustame Suure Pauguga ja liigume ajas edasi, et näha, kuidas universum on arenenud tänapäevani. JÄRGMINE: Esimene peatus, Maa >>

Maa on ümmargune

Maa pilt: NASA; Eratosthenese portree: tundmatu kunstnik

Meie esimene peatus on planeet, mida kutsume koduks. Teadmine, et Maa on pallikujuline, on tegelikult üsna vana.

Umbes 2500 aastat tagasi teatasid Kreeka rändurid, et kaugele põhja või lõunasse minnes olid taevas näha erinevaid tähtkujusid. Ka tähelepanelikud vaatlejad oleksid märganud, et Kuu varjutuse ajal on Maa heidetud varjul ümmargune serv. Mõni sajand hiljem hindas teadlane Eratosthenes Maa suurust, märkides erinevust päikese varjude pikkuste vahel paarsada miili kaugusel.

Eeldades, et päike on nii kaugel, et tema valguskiired on paralleelsed, võis Eratosthenes Maa ümbermõõdu arvutamiseks kasutada lihtsat geomeetriat. Pole teada, kui täpne oli tema mõõtmine, kuid see võis olla tegelikust arvust mitte rohkem kui mõne protsendipunkti kaugusel. JÄRGMINE: Päikesesüsteem >>

Maa on planeet

Karl Tate, guesswhozoo.com; Johannes Kepleri portree: tundmatu kunstnik

Nüüd tõmbume tagasi, et näha Maad sisemise päikesesüsteemi kontekstis. Varased ideed päikese, Maa ja planeetide liikumise kohta tulenesid teoloogilistest, astroloogilistest ja filosoofilistest arusaamadest selle kohta, kuidas Jumal pidi maailma korraldama.

Poola astronoom Nicolaus Copernicus tekitas 1500ndate keskel kära, soovitades, et Maa liiguks ümber päikese ja mitte, nagu kristluse juhid õpetasid, Päike ümber Maa. Sajandeid arvati, et planeedid liiguvad, kuna need olid paigutatud pesastatud 'kristallkeradesse', mis pöörlesid ümber keskpunkti.

Siiski märgiti 16. sajandil, et komeedid liikusid nii, et need need kristallkerad läbi põrutaksid. Sfääride asendamine oli mõte „epitsüklitest”, ringidest, mis asetsevad ringidel ja mõjutavad üksteist matemaatiliselt, et saada täheldatud planeetide liikumised.

Lõpuks avaldas 1609. aastal saksa matemaatik Johannes Kepler oma planeetide liikumise teooriad, mis tegid kindlaks, et meie päikesesüsteemi kehad liiguvad pigem ovaalide kui ringide kujulistel orbiitidel. JÄRGMINE: Planeedid on teised maailmad >>

Planeedid on maailmad

Karl Tate, guesswhozoo.com; Galileo Galilei: Ottavio Leoni portree

Inimkonna eelajaloo algusaegadest alates arvati, et kogu universum hõlmab ainult palja silmaga nähtavaid elemente: Maa, selle kuu ja päike, viis valguspunkti, mis liikusid ja mida nimetati planeetideks, pluss kauge kera. mille külge olid kinnitatud Linnutee tähed ja helendav bänd.

Nende taevakehade liikumise selgitamiseks töötati välja astroloogia- ja hiljem astronoomiateooriad, kuid nende tegelikku olemust võis vaid oletada. Kui 1609. aastal Itaalia astronoom Galileo lõpuks taevast toorteleskoobi treenis, avastas ta, et planeedid on teised maailmad. Paljudel neist maailmadest leiti oma kuud.

Teleskoobi abil avastati meie päikesesüsteemist seni tundmatud planeedid: Uraan 1781. aastal ja Neptuun 1846. Teleskoobiga sai võimalikuks uurida väiksemaid kehasid, nagu komeedid ja asteroidid, aga ka kaugemal asuvaid tähti ja udusid. taevasfäär. JÄRGMINE: Tähtede meri >>

Tähed on päikesed

Kohalike staaride skeem: Karl Tate, mis põhineb üldkasutataval andmegraafikul; Friedrich Besseli portree: Christian Albrecht Jensen

17. sajandil tõi Galilei välja teleskoobi leiutamine ja Kepleri liikumisseaduste avastamine tõdemuse, et tähed on täpselt nagu päike ja kõik järgivad samu füüsikaseadusi. 19. sajandil võimaldas spektroskoopia - objektide poolt kiirgava valguse lainepikkuste uurimine - uurida gaase, millest tähed koosnevad.

Teadlased mõistsid ka 19. sajandil, kuidas mõõta kaugust tähtedeni. Kui objekti vaadeldakse erinevatest vaatenurkadest, näib objekt kaugema tausta suhtes nihkuvat. Nihet nimetatakse parallaksiks. Kui Maa tiirleb ümber Päikese, pakub see muutuvat vaatepunkti tähtede vaatlemiseks. Kuna tähed on meie päikesesüsteemi objektidest palju kaugemal, on parallaksi nihe väga väike ja seda on raske mõõta.

Saksa matemaatik ja astronoom Friedrich Bessel mõõtis esimesena edukalt tähe 61 Cygni parallaksi ja hindas selle kauguseks Maast 10,4 valgusaastat. (Hilisemad hinnangud kohandasid selle kauguse 11,4 valgusaastaks.) JÄRGMINE: Galaktika ja tumeaine >>

Galaktika, mille pani kokku Dark Matter

Linnutee galaktika kaart: Robert Hurt; Fritz Zwicky foto Virginia ülikooli astronoomia osakonna kaudu

Meie galaktika paigutust on raske välja mõelda meie vaatepunktist, mis on sellesse sisse lülitatud. Uurides kaugete galaktikate kuju ja mõõtes hoolikalt objekte, mida me oma galaktikas näeme, oleme järeldanud, et meie oma on trell-spiraalgalaktika.

Keskne ribakujuline südamik, mis koosneb tähtedest (ja millel on äärmiselt suur must auk), on ümbritsetud spiraalsete kätega, mis koosnevad ka tähtedest, samuti gaasist ja tolmust. Asume kannuses või harus, mis ulatub suurte spiraalharude vahele. Spiraalkäepidemete täpse konfiguratsiooni üle vaieldavad endiselt astronoomid, kuid hiljutises uuringus leiti, et meie Linnutee galaktikal on kaks peamist haru, mis hargnevad väljapoole neljaks haruks.

Arvatakse, et meie galaktika spiraalharud on omamoodi tiheduslaine, mis liigub ümber lameda ketta. Materjal kimbutab ja käed moodustavad tähti. Kõik galaktikas tiirleb ümber selle keskpunkti ja käed ei ole kindlad struktuurid. Meie päikesesüsteem liigub tiirlemisel spiraalharudesse ja sealt välja.

Galaktikate pöörlemist uurides märgiti, et need ei pöörle nii, nagu me võiksime eeldada, lähtudes nähtava aine gravitatsioonilisest tõmbest. Šveitsi astronoom Fritz Zwicky soovitas 1934. aastal, et kohal peab olema suur hulk nähtamatut ehk 'tumedat' ainet, mis muudab spiraalgalaktikad massiivsemaks, kui need paistavad.

Sellest ajast alates on astrofüüsikud seda tumedat ainet otsinud, sageli spekuleerides, et see võib koosneda eksootilistest osakestest, erinevalt sellest, mida me Maal teame. Praegused hinnangud näitavad, et meie universum koosneb enamasti tundmatutest tumeaine ja tume energia vormidest, kusjuures tuttavad aatomid moodustavad vaid väikese osa koguarvust. JÄRGMINE: Tähtedega täidetud galaktikad >>

Galaktikad on valmistatud tähtedest

Linnutee galaktika kaart: Robert Hurt; Edwin Hubble'i foto NASA kaudu

Linnutee, nõrk valguspael, mis ulatub taevasse, on tuntud läbi ajaloo. Selle tegelik olemus avastati alles 17. sajandil, kui Galileo Galilei uuris teleskoobiga Linnuteed ja tegi kindlaks, et lint koosneb paljudest tähtedest. Taevas on näha väikesi häguseid valguslaike; neid nimetati uduks.

18. sajandiks spekuleeriti, et Linnutee on tohutu tähtede süsteem, mis on seotud gravitatsiooniga, kuid udude olemus jäi teadmata. Need võisid olla Linnutee piires väikesed gaasipilved või võib -olla väljaspool meie galaktikat. Ei saanud tõestada, kas Linnutee moodustas kogu universumi või mitte.

Ameerika astronoom Edwin Hubble uuris Californias Mount Wilsoni observatooriumis äsja ehitatud 100-tollise teleskoobi abil tähte nimega Cepheids, mis helendavad ja tuhmuvad vastavalt nende sisemise heledusega, muutes need sobivaks mõõdupuuks kosmiliste kauguste hindamisel. Hubble jõudis 1925. aasta dokumendis järeldusele, et mõned udud olid Linnuteest väljaspool ja olid omaette hiiglaslikud galaktikad, mis paljastasid meie kodugalaktikast palju suurema universumi. JÄRGMINE: Universum saab korrastatud >>

Massiivne organisatsioon

Diagramm: Karl Tate NASA illustratsiooni põhjal; Brent Tully foto Hawaii ülikooli astronoomiainstituudi kaudu

Esimest korda märgati 19. sajandi teisel poolel, et Neitsi tähtkujus on suur hulk udukogusid. Hiljem avastati, et need udud on meie Linnutee välised eraldi galaktikad.

Sada aastat hiljem spekuleerisid astronoomid, et nende galaktikate näiline joondumine võib viidata kosmilise struktuuri kõrgemale tasemele, mida erinevalt nimetatakse 'metagalaksiks' või 'superparviks'. Aastal 1982 avaldas astronoom R. Brent Tully analüüsi kaugustest superparve liikmetesse, näidates, et need on tõepoolest osa suuremast organisatsioonist.

Kaugused määrati galaktikate valguspektrite punase nihke märkimisega. (Punase nihke täieliku selgituse saamiseks vaadake galeriist jaotist „Time Zero: The Big Bang”.) JÄRGMINE: Suurimad struktuurid kosmoses >>

Suurimad struktuurid kosmoses

Krediit: 2dF Galaxy Redshift Survey, Anglo-Australian Observatory; Margaret Gelleri foto Harvardi ülikooli astronoomia osakonna kaudu

Suurimad struktuurid, mida me teame, on galaktilised hõõgniidid - mida nimetatakse ka superklasterkompleksideks -, mis ümbritsevad ruumis tohutuid tühimikke. Hõõgniidi galaktikad on seotud gravitatsiooniga.

Kui Margaret Geller ja John Huchra 1989. aastal avastasid neist struktuuridest esimese, nimetati seda 'Suureks müüriks'. J. Richard Gott III ja Mario Jurić avastasid 2003. aastal palju suurema struktuuri, 'Sloani suure müüri'.

Praegused universumi laiaulatusliku struktuuri uuringud kasutavad andmeid, mis on kogutud punase nihke uuringute, näiteks Sloani digitaalse taevauuringu abil. Need jõupingutused kasutavad taeva piirkondade pildistamiseks digikaamera andureid, jäädvustades miljoneid kaugeid objekte koos nende kaardistamiseks vajalike andmetega 3D-ruumis. JÄRGMINE: Kaugeim, mida näeme >>

Kaugeim, mida näeme

Jälgitava universumi simulatsioon: Karl Tate, guesswhozoo.com; Alan Guthi foto Brookhaveni riikliku labori kaudu

Vaadeldav universum on kõik, mida saame tuvastada. See on 93 miljardi valgusaasta läbimõõduga kera, mille keskpunkt on Maa. Me ei suuda kogu universumit korraga tajuda, kuna valguse kiirus on aeglane võrreldes universumi tohutu ulatusega.

Kosmosesse vaadates näeme objekte sellisena, nagu need olid ajaloo varasematel ja varasematel aegadel. Samuti on universumi kiireneva laienemise tõttu kauged objektid palju kaugemal, kui nende vanus meid arvaks. Näiteks on vaadeldava universumi serv hinnanguliselt umbes 46 miljardi valgusaasta kaugusel, kuigi universum ise on vaid 13,7 miljardit aastat vana.

Universumi tegelik ulatus on teadmata. See võib olla palju suurem kui vaadeldav universum - võib -olla isegi lõpmatu. Kuid kõige kaugematest piirkondadest tulev valgus ei jõuaks meieni kunagi; ruum, millest see läbi peab minema, paisub lihtsalt liiga kiiresti.

Meie praegune pilt vaadeldavast universumist võlgneb palju Ameerika füüsikule Alan Guthile, kes 1980ndatel töötas välja, kuidas meie enda sarnane universum võis tekkida selle loonud Suure Paugu sündmusest. Järgmisena lähtestame kella nulli ajale ja vaatame, kuidas universum algusest tänaseni arenes. JÄRGMINE: Suur Pauk >>