Esattamente 100 anni fa, il nostro concetto di universo era molto diverso da quello di oggi. La gente conosceva le stelle nella Via Lattea e conosceva le loro distanze, ma nessuno sapeva cosa ci fosse dietro di loro. L'universo era considerato statico, le spirali e le ellissi nel cielo erano considerate oggetti della nostra galassia. La gravità newtoniana non era ancora stata superata dalla nuova teoria di Einstein e idee scientifiche come il Big Bang, la materia oscura e la materia oscura non furono ascoltate. Ma poi, letteralmente ogni decennio, hanno iniziato a verificarsi scoperte dopo scoperte, e così via fino ad oggi. Questa è la cronaca di Medium.com di Ethan Siegel su come la nostra comprensione dell'universo è cambiata negli ultimi cento anni.
I risultati della spedizione di Eddington nel 1919 hanno mostrato che la relatività generale descrive la curvatura della luce stellare vicino a oggetti massicci.
Anni 1910: la teoria di Einstein è confermata. La relatività generale divenne famosa per aver dato previsioni che la teoria di Newton non poteva dare: la precessione dell'orbita di Mercurio attorno al Sole. Ma non era sufficiente che una teoria scientifica spiegasse semplicemente qualcosa che avevamo già osservato; doveva fare previsioni su ciò che non avevamo ancora visto. Sebbene ce ne siano state molte negli ultimi cento anni - dilatazione del tempo gravitazionale, lente forte e debole, spostamento verso il rosso gravitazionale e così via - la prima è stata la curvatura della luce stellare durante un'eclissi solare totale, che Eddington ei suoi colleghi hanno osservato nel 1919. Il tasso di curvatura della luce attorno al Sole era coerente con le previsioni di Einstein e non con la teoria di Newton. Da allora, la nostra comprensione dell'universo è cambiata per sempre.
La scoperta di Hubble della variabile Cefeide nella galassia di Andromeda, M31, ci ha aperto l'universo
1920s. Non sapevamo ancora che ci fosse un universo oltre la Via Lattea, ma tutto è cambiato negli anni '20 con il lavoro di Edwin Hubble. Osservando alcune nebulose a spirale nel cielo, è stato in grado di individuare singole stelle variabili dello stesso tipo che era noto nella Via Lattea. Solo la loro luminosità era così bassa che indicava direttamente milioni di anni luce tra di noi, posizionandoli ben oltre i confini della nostra galassia. Hubble non si è fermato qui. Ha misurato il tasso di recessione e la distanza da dozzine di galassie, espandendo significativamente i confini dell'universo conosciuto.
Due grandi galassie luminose al centro dell'ammasso di Coma, NGC 4889 (a sinistra) e NGC 4874 leggermente più piccola (a destra), hanno ciascuna una dimensione di oltre un milione di anni luce. Si ritiene che un enorme alone di materia oscura attraversi l'intero ammasso.
1930s. È stato a lungo pensato che se si potesse misurare tutta la massa contenuta nelle stelle, e magari aggiungere gas e polvere, si potrebbe contare tutta la materia nell'universo. Tuttavia, osservando le galassie in un ammasso denso (come l'ammasso di Coma), Fritz Zwicky ha mostrato che le stelle e la cosiddetta "materia ordinaria" (cioè gli atomi) non sono sufficienti per spiegare il movimento interno di questi ammassi. Ha chiamato la nuova materia materia oscura (dunkle materie) e le sue osservazioni sono state in gran parte ignorate fino agli anni '70. Poi hanno studiato meglio la materia ordinaria e si è scoperto che c'è molta materia oscura nelle singole galassie rotanti. Ora sappiamo che la materia oscura è 5 volte più massiccia della materia ordinaria.
Anni '40. Sebbene la maggior parte delle risorse sperimentali e di osservazione andassero ai satelliti di ricognizione, all'ingegneria missilistica e allo sviluppo della tecnologia nucleare, i fisici teorici continuarono a lavorare instancabilmente. Nel 1945, Georgy Gamow creò un'estrapolazione completa dell'universo in espansione: se l'universo si espande e si raffredda oggi, avrebbe dovuto essere più denso e più caldo in passato. Pertanto, una volta in passato c'era un tempo in cui l'universo era troppo caldo e gli atomi neutri non potevano formarsi, e prima di allora i nuclei atomici non potevano formarsi. Se è così, allora prima della formazione di qualsiasi stella, la materia dell'Universo iniziò con gli elementi più leggeri, e ai nostri tempi si può osservare il bagliore residuo di quella temperatura in tutte le direzioni - solo pochi gradi sopra lo zero assoluto. Oggi questa teoria è conosciuta come la teoria del Big Bang.e negli anni Quaranta non sapevano nemmeno quanto fosse bella.
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Anni '50. Un'idea rivale con l'ipotesi del Big Bang era il modello stazionario dell'universo proposto da Fred Hoyle e altri. Significativamente, entrambe le parti hanno sostenuto che tutti gli elementi pesanti presenti oggi sulla Terra si sono formati durante l'Universo primordiale. Hoyle e i suoi colleghi hanno sostenuto che non sono stati realizzati in uno stato precoce, caldo e denso, ma piuttosto nelle precedenti generazioni di stelle. Hoyle, insieme ai colleghi Willie Fowler e Margaret Burbidge, ha spiegato in dettaglio come gli elementi organizzano la tavola periodica durante la fusione nucleare nelle stelle. Curiosamente, hanno predetto la sintesi del carbonio dall'elio in un processo che non avevamo mai visto prima: un processo triplo alfa che richiede l'esistenza di un nuovo stato del carbonio. Questo stato fu scoperto da Fowler diversi anni dopo la previsione originale di Hoyle ed è oggi noto come stato del carbonio di Hoyle. Quindi, abbiamo scoperto che tutti gli elementi pesanti esistenti sulla Terra devono la loro origine a tutte le precedenti generazioni di stelle.
Se potessimo vedere la luce a microonde, il cielo notturno apparirebbe come un ovale verde con una temperatura di 2,7 Kelvin, con "rumore" al centro da contributi caldi dal nostro piano galattico. Questa radiazione uniforme con uno spettro di corpo nero indica il bagliore residuo del Big Bang: questo è il fondo cosmico a microonde
Anni '60. Dopo 20 anni di discussioni, è stata fatta un'osservazione chiave che avrebbe determinato la storia dell'universo: la scoperta del bagliore predetto dal Big Bang, o lo sfondo cosmico a microonde. Questa radiazione uniforme con una temperatura di 2,725 Kelvin fu scoperta nel 1965 da Arno Penzias e Bob Wilson, nessuno dei quali sapeva immediatamente in cosa si erano imbattuti. Solo con il tempo lo spettro del corpo nero di questa radiazione e le sue fluttuazioni sono stati misurati e hanno mostrato che il nostro Universo è iniziato con una "esplosione".
La prima fase dell'Universo, anche prima del Big Bang, ha stabilito tutte le condizioni originali per tutto ciò che vediamo oggi. Era la grande idea di Alan Guth: l'inflazione cosmica
Anni '70Alla fine del 1979, il giovane scienziato stava covando la sua idea. Alan Guth stava cercando un modo per risolvere alcuni dei problemi inspiegabili del Big Bang - perché l'universo è così piatto nello spazio, perché ha la stessa temperatura in tutte le direzioni e perché non ci sono reliquie delle più alte energie in esso - e ha avuto l'idea dell'inflazione cosmica. Secondo questa idea, prima che l'universo entrasse in uno stato caldo e denso, c'era uno stato di espansione esponenziale, quando tutta l'energia era inerente al tessuto stesso dello spazio. Ci sono voluti diversi perfezionamenti delle idee originali di Guth per formare l'attuale teoria dell'inflazione, ma le successive osservazioni - comprese le fluttuazioni nel fondo cosmico a microonde - hanno confermato le sue previsioni. Non solo l'universo è iniziato con un'esplosione, ma aveva anche un altro stato speciale anche prima che avvenisse questo Big Bang.
Resti di supernova 1987a situati nella Grande Nube di Magellano a 165.000 anni luce di distanza. Per oltre trecento secoli è stata la supernova più vicina osservata alla Terra.
Anni '80. Può sembrare che non sia successo nulla di grave, ma è stato nel 1987 che la supernova più vicina è stata osservata dalla Terra. Questo accade una volta ogni cento anni. È stata anche la prima supernova che si è verificata quando avevamo rilevatori in grado di rilevare i neutrini da tali eventi. Anche se abbiamo visto molte supernove in altre galassie, non le abbiamo mai osservate abbastanza da vicino per vedere i neutrini che ne derivano. Questi circa 20 neutrini segnarono l'inizio dell'astronomia dei neutrini e dei successivi sviluppi che portarono alle oscillazioni dei neutrini, alla rivelazione di masse di neutrini e neutrini da supernovae che si verificano in galassie a milioni di anni luce di distanza. Se i nostri moderni rivelatori funzionassero al momento giusto, la prossima esplosione di supernova consentirebbe la cattura di centinaia di migliaia di neutrini.
Quattro possibili destini dell'universo, di cui l'ultimo si adatta meglio ai dati: un universo con energia oscura. È stato scoperto per la prima volta grazie alle osservazioni di supernove lontane
Anni '90. Se pensavi che la materia oscura e la scoperta dell'inizio dell'universo fossero scoperte importanti, immagina lo shock nel 1998 quando hanno scoperto che l'universo stava per finire. Storicamente, abbiamo immaginato tre possibili destini:
- L'espansione dell'Universo non sarà sufficiente per superare l'attrazione gravitazionale di tutto e di tutti, e l'Universo si contrarrà nuovamente nella Grande Compressione
- L'espansione dell'Universo sarà eccessiva e tutto ciò che è unito dalla gravità si disperderà e l'Universo si congelerà
- O ci troveremo al confine di questi due esiti e il tasso di espansione tenderà asintoticamente a zero, ma non lo raggiungerà mai: Universo Critico
Invece, tuttavia, le supernove distanti hanno dimostrato che l'espansione dell'universo sta accelerando e che, col passare del tempo, le galassie distanti si allontanano l'una dall'altra sempre più velocemente. L'universo non solo si congelerà, ma tutte le galassie che non sono legate l'una all'altra finiranno per scomparire oltre il nostro orizzonte cosmico. A parte le galassie nel nostro gruppo locale, nessuna galassia incontrerà la Via Lattea e il nostro destino sarà freddo e solitario. Tra 100 miliardi di anni non vedremo altre galassie oltre alla nostra.
Anni 2000. Le nostre misurazioni delle fluttuazioni (o imperfezioni) nel bagliore residuo del Big Bang ci hanno insegnato cose incredibili: abbiamo imparato esattamente di cosa è fatto l'universo. I dati COBE hanno sostituito i dati WMAP, che a loro volta sono stati migliorati da Planck. Presi insieme, i dati di strutture su larga scala provenienti da sondaggi di galassie di grandi dimensioni (come 2dF e SDSS) e i dati di supernove lontane ci hanno fornito un'immagine moderna dell'universo:
- 0,01% di radiazione sotto forma di fotoni, - 0,1% di neutrini, che contribuiscono leggermente agli aloni gravitazionali che circondano galassie e ammassi, - 4,9% della materia ordinaria, che include tutto ciò che è costituito da particelle atomiche, - 27% di materia oscura, o particelle misteriose, non interagenti (diverse da quelle gravitazionali) che forniscono all'universo la struttura che osserviamo, - 68% di energia oscura, che è insita nello spazio stesso.
2010th. Questo decennio non è ancora finito, ma abbiamo già trovato i nostri primi pianeti simili alla Terra potenzialmente abitabili (anche se molto distanti), tra le migliaia e migliaia di nuovi esopianeti scoperti dalla missione Kepler della NASA. Questa potrebbe non essere la più grande scoperta del decennio, perché il rilevamento diretto delle onde gravitazionali da parte di LIGO ha confermato il quadro che Einstein ha disegnato nel 1915. Più di un secolo dopo che la teoria di Einstein ha sfidato per la prima volta Newton, la relatività generale ha superato tutte le prove e le prove che le venivano offerte.
La storia scientifica è ancora in fase di scrittura e c'è ancora molto da scoprire nell'universo. Ma quegli 11 passaggi ci hanno portato fuori da un universo di età sconosciuta, non più grande della nostra galassia, composta principalmente da stelle, in un universo in espansione e raffreddamento governato dalla materia oscura, dall'energia oscura e dalla nostra materia ordinaria. Ha molti pianeti potenzialmente abitabili, ha 13,8 miliardi di anni ed è iniziato con il Big Bang, che a sua volta è uscito dall'inflazione cosmica. Abbiamo appreso dell'origine dell'Universo, del suo destino, dell'aspetto, della struttura e delle dimensioni - e tutto per 100 anni. Forse i prossimi 100 anni saranno pieni di sorprese che non possiamo nemmeno immaginare.
Ilya Khel
