Galaxy-klustret LCDCS-0829, som observerats av Hubble Space Telescope. Detta galaxkluster snabbar bort från oss, och på bara några miljarder år kommer det att nås, även med ljusets hastighet. Bildkredit: ESA / Hubble & NASA.

Hur kände vi till den kosmiska avgrunden?

Att titta in i det stora, mörka okända var ett mysterium i tusentals år. Inte längre!

"Vetenskapen kan inte berätta teologin hur man konstruerar en skapelsedoktrin, men du kan inte konstruera en skapelsedoktrin utan att ta hänsyn till universumets ålder och den kosmiska historiens evolutionära karaktär." -John Polkinghorne

En titt ut på natthimlen väcker en mängd frågor som alla intelligenta, nyfikna personer kan undra på:

  • Vad är dessa ljuspunkter på himlen?
  • Finns det andra solar som våra egna, och i så fall har de planeter som vi gör?
  • Hur långt borta är stjärnorna och hur länge bor de?
  • Vad ligger utanför vår Vintergalax?
  • Hur ser hela universum ut?
  • Och hur blev det så här?

Under tusentals år var det frågor för poeter, filosofer och teologer. Men vetenskapligt har vi inte bara upptäckt svaren på alla dessa frågor, utan svaren har tagit upp några ännu större som vi aldrig kunde ha förutspått.

En vanlig kosmisk tidslinje för vårt universums historia. Bildkredit: NASA / CXC / M.Weiss.

Med undantag för några få kroppar i vårt solsystem som reflekterar vår solens ljus tillbaka på oss, är varje punkt med lysande ljus vi ser på natthimlen en stjärna. De finns i olika färger, från röd till orange till gul till vit till blå, och de kommer i olika ljusstyrkor, från bara cirka 0,1% lika ljus som vår sol till bokstavligen miljoner gånger solens ljusstyrka. De är så långt borta att de verkar vara i samma position inte bara natt efter natt, utan också år efter år. Det allra första försöket att mäta deras avstånd baserades på ett enda antagande: om stjärnorna var identiska med solen, hur ljusa skulle de vara? Baserat på vår förståelse för hur ljusstyrkan påverkas av avstånd, uppskattades natthimlens ljusaste stjärna, Sirius, till 0,4 ljusår bort, ett enormt avstånd. Om de på 1600-talet hade känt hur många gånger ljusare Sirius var än solen, skulle avståndet uppskattas med mindre än 10%.

Vår sol är en G-klass stjärna. Även om de större, ljusare är mer imponerande, är de mycket färre i antal. Sirius, en A-klass stjärna, är 20–25 gånger ljusare än vår sol, men O, B och A stjärnor representerar bara 1% av stjärnorna * totalt * i galaxen. Bildkredit: Wikimedia Commons-användare LucasVB.

Att de andra stjärnorna är solar som våra egna bevisades inte förrän uppfinningen av spektroskopi, där vi kunde bryta upp ljuset i individuella våglängder och se signaturerna på vilka atomer och molekyler som fanns. Cirka 90% av stjärnorna är mindre och svagare än våra egna, cirka 5% är mer massiva och ljusare, och cirka 5% är solliknande i sin massa, storlek och ljusstyrka. Under de senaste 25 åren har vi upptäckt att planeter är normen kring stjärnor, efter att ha bekräftat mer än 3 000 planeter utöver vårt eget solsystem. NASA: s Kepler-rymdskepp är det absolut största planetfyndighetsverktyget vi någonsin har använt och upptäcker cirka 90% av de exoplaneter som vi känner idag.

De 21 Kepler-planeterna som upptäcktes i deras stjärnor i bebyggelse, inte större än två gånger jordens diameter. (Proxima b, inte upptäckt med Kepler, kommer att räkna upp till 22.) De flesta av dessa världar kretsar runt röda dvärgar, närmare

Genom att mäta hur en stjärna rör sig på grund av gravitations bogserbåten på dess planeter, kan vi dra slutsatsen om deras massor och omloppsperioder. Genom att mäta hur mycket en stjärns ljus dimmar på grund av en planet som passerar framför det, kan vi mäta både dess period och dess fysiska storlek. Hittills har mer än 20 steniga, grovt jordstora världar hittats i de "potentiellt bebodda" zonerna runt sina stjärnor, vilket innebär att om dessa världar har jordliknande atmosfärer, har de rätt temperaturer och tryck för flytande vatten på deras yta. Senast har Proxima Centauri, den närmaste stjärnan till vår sol, visat sig hålla kanske den mest jordliknande planeten ännu, bara 4,2 ljusår bort.

En konstnärs återgivning av Proxima Centauri sett från

För att mäta avståndet till stjärnorna exakt är den bästa tekniken att mäta deras positioner så exakt som möjligt under ett helt år. När jorden rör sig i sin omloppsbana runt solen och reser så långt som 300 miljoner kilometer från sin plats sex månader innan, verkar de närmaste stjärnorna förändras, på samma sätt som tummen verkar växla om du håller den på armlängden och stänger en öga först, öppna sedan det och stäng det andra.

Parallaxmetoden, som används av GAIA, innefattar att notera den uppenbara förändringen i positionen för en närliggande stjärna i förhållande till de mer avlägsna bakgrundsmetoderna. Bildkredit: ESA / ATG medialab.

Detta fenomen, känt som parallax, mättes först inte noggrant förrän i mitten av 1800-talet, vilket gav oss avståndet till de närmaste stjärnorna. När du väl vet hur långt borta en stjärna är och du mäter dess andra egenskaper, kan du använda den informationen för att identifiera andra stjärnor precis som den, och därmed bestämma hur långt bort allt du kan se i universum är. Vi kan gå från de närmaste stjärnorna till alla stjärnor i vår galax till stjärnor i galaxer utöver våra egna till de mest avlägsna galaxerna som kan observeras.

Hubble eXtreme Deep Field (XDF), som avslöjade ungefär 50% fler galaxer per kvadratgrad än det tidigare Ultra-Deep Field. Bildkredit: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee och P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden universitet; och HUDF09-teamet.

Det här fungerar precis som en stege, där du kliver på första steget och använder det steget för att komma till nästa steg, och varje gång du kommer lite längre på din resa. Europeiska rymdorganisationens GAIA-satellit, som sjösattes 2013, försöker mäta parallaxpositionerna för miljoner stjärnor, vilket ger oss den säkraste "första gången" på den kosmiska avståndsstegen genom tiderna.

En karta över stjärntäthet i Vintergatan och omgivande himmel, som tydligt visar Vintergatan, stora och små magelliska moln, och om du tittar närmare, NGC 104 till vänster om SMC, NGC 6205 något ovanför och till vänster om den galaktiska kärnan och NGC 7078 något under. Bildkredit: ESA / GAIA.

Stjärnor bränner igenom sitt bränsle precis som solen gör: genom att omvandla väte till helium i sina kärnor. Denna process med kärnfusion avger en enorm mängd energi av Einsteins E = mc ^ 2, eftersom varje heliumkärna som du producerar från fyra vätukärnor är 0,7% lättare än vad du började med. Över vår sol på 4,5 miljarder år har den förlorat ungefär massan av Saturnus i processen att lysa som den gör. Men vid någon tidpunkt kommer solen och varje stjärna i universum att bli slut på bränsle i sin kärna.

Solens anatomi, inklusive den inre kärnan, som är den enda platsen där fusion inträffar. Bildkredit: NASA / Jenny Mottar.

När det gör det kommer det att expandera och förvandlas till en röd jätte som smälter helium till kol. Ännu mer massiva stjärnor kommer att smälta kol till syre, syre till kisel, svavel och magnesium, och de mest massiva stjärnorna kommer att smälta kisel till järn, kobolt och nickel. Stjärnor som vår sol kommer att dö mjukt och blåsa av sina yttre lager i en planetnebulosa, medan de mest massiva stjärnorna kommer att dö i en katastrofal supernovaexplosion, med båda återvinning av de tunga elementen som bildas i tillbaka till det interstellära mediet.

Vår sol kommer att ha en total livslängd på cirka 12 miljarder år, medan stjärnorna med den lägsta massan (ungefär 8% massan av vår sol) kommer att bränna igenom sitt bränsle långsammast och lever i mer än 10 biljoner år: många gånger nuvarande ålder av universum. Men de mest massiva stjärnorna brinner igenom sitt bränsle snabbare, med några stjärnor som bara lever några miljoner år innan de dör och förvisar sina tunga element tillbaka till universum.

Supernova-rest N 49, finns i vår egen mjölkväg. Bildkredit: NASA / ESA och The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Dessa tunga element som kol, syre, kväve, fosfor, kisel, koppar och järn är inte bara viktiga för livet som vi känner, utan för att skapa steniga planeter i första hand. Det tar flera generationer av stjärnor som lever, brinner genom sitt bränsle, dör och återvinner dessa ingredienser tillbaka i rymden, där de hjälper till att bilda de kommande generationerna av stjärnor för att ge upphov till en värld som Jorden. Och här, ur vårt perspektiv, har vi kunnat se ut i universum, inte bara över de stora kosmiska avstånden, utan tillbaka till universumets förflutna.

Galaxen NGC 7331, med mer avlägsna galaxer och närmare förgrundsstjärnor också i ram. Bildkredit: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

Det faktum att ljusets hastighet är begränsad och konstant, 299 792 458 m / s, betyder inte bara att det finns en försening när det gäller att skicka signaler över mycket stora avstånd. Det betyder att när vi tittar på föremål som är långt borta så ser vi dem inte som de är i dag, utan som de var tillbaka i universumets avlägsna förflutna. Titta på en stjärna 20 ljusår bort, och du ser den som den var för 20 år sedan. Titta på en galax som är 20 miljoner ljusår bort och du ser den för 20 miljoner år sedan.

Galaxer liknande mjölkvägen som de var vid tidigare tider i universum. Bildkredit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University) och 3D-HST-teamet.

Vi har kunnat se så långt tillbaka, tack vare kraftfulla teleskop som Hubble, att vi har kunnat se galaxer i universum som de var för miljarder år sedan, tillbaka när universum bara var några procent av sin nuvarande ålder. Vi ser att galaxer i det förflutna var mindre, mindre massiva, blåare i inneboende färg, bildade stjärnor snabbare och var mindre rika på dessa tunga element som vi behöver för att bilda planeter. Vi ser också att dessa galaxer över tiden smälter samman och bildar större strukturer. Vi kan sätta samman hela bilden och visualisera hur universum har utvecklats för att bli som det är för närvarande.

Hela universumet är en enorm kosmisk web, där galaxer och galaxklyngar bildas i korsningen mellan dessa kosmiska filament. Däremellan finns det stora kosmiska tomrum utan stjärnor och galaxer, där gravitationen i de tätare regionerna har dragit den materien bort för att användas för andra ändamål. Vi ser att det händer på vår lokala skala idag, eftersom galaxerna i den lokala gruppen rör sig mot varandra. Vid någon tidpunkt, fyra till sju miljarder år i framtiden, kommer vår närmaste stora granne, Andromeda, att smälta samman med vår Vintergatan och skapa en jätte elliptisk galax: Milkdromeda.

En serie stillbilder som visar mjölkväg-Andromedas sammanslagning och hur himlen kommer att se annorlunda ut än jorden när det händer. Bildkredit: NASA; Z. Levay och R. van der Marel, STScI; T. Hallas; och A. Mellinger.

Och hela tiden fortsätter universum att expandera, mot ett kallare, tömare, mer avlägset öde. Galaxer bortom vår lokala grupp går tillbaka från vår egen och från varandra. De saker som är bundna i gravitationsnivå - planeter, stjärnor, solsystem, galaxer och galaxkluster - kommer att förbli bundna tillsammans så länge stjärnorna brinner i vårt universum. Men varje enskild galaxgrupp eller kluster kommer att försvinna från alla andra, eftersom universum blir kallare och ensamare när tiden går.

Universumets fyra möjliga öden med endast materia, strålning, krökning och en kosmologisk konstant tillåten. Den nedre

Vilket innebär att om vi går tillbaka till början och frågar hur det hela kom till har vi:

  • ett observerbart universum som började med ett hett, tätt, mestadels enhetligt tillstånd känt som Big Bang;
  • som kyld, möjliggör materia och antimateria att förintas, vilket bara lämnar en liten mängd materia kvar;
  • som kyldes ytterligare, vilket tillät protoner och neutroner att smälta samman till helium utan att sprängas isär;
  • som kyldes ytterligare, vilket möjliggjorde skapandet av stabila, neutrala atomer;
  • där gravitationella brister växte och växte, vilket ledde till att gas klumpades samman i vissa regioner, som blev tillräckligt täta för att bilda de första stjärnorna;
  • där de mest massiva stjärnorna brände genom sitt bränsle, dog och återvann sina tyngre element tillbaka till det interstellära mediet;
  • små stjärnkluster och galaxer slogs samman och växte, vilket utlöste nya vågor av stjärnbildning;
  • där efter miljarder år bildas nya stjärnor med steniga planeter på dem och ingredienserna för livet;
  • där galaxer som husar dem växte till de spiral- och elliptiska jättar som vi har idag;
  • och där 9,2 miljarder år efter Big Bang bildas en stjärnakluster som används i en isolerad spiralgalax, där 2% av elementen nu är tyngre än väte-och-helium;
  • varav en råkar vara vår sol;
  • och där, efter ytterligare 4,54 (eller så) miljarder år, uppstår en intelligent art som kan börja sammansätta bitarna av vår kosmiska historia, förstå var vi kommer från för första gången.
Bertini-fresken från Galileo Galilei som visar Doge of Venice hur man använder teleskopet, 1858.

Det finns fler saker som vi har lärt oss, och det finns mer djup att utforska i alla dessa frågor. (Min första bok, Beyond The Galaxy, gör exakt det här.) Ja, det finns frågor vi fortfarande arbetar med, till exempel hur frågan / antimateriell asymmetri blev, hur Big Bang skapades och startade och hur , exakt, universum kommer att möta sitt slutliga öde. Men frågorna om hur universum ser ut, hur det blev så här och vad det fysiskt gör har besvarats: inte av filosofer, poeter eller teologer, utan av den vetenskapliga strävan. Och om de nya stora frågorna ska besvaras - de som svaren på de tidigare stora frågorna väckte - kommer det återigen att vara vetenskap som visar oss vägen.

Det här inlägget visades först på Forbes och kommer till dig annonsfritt av våra Patreon-supportrar. Kommentera vårt forum och köp vår första bok: Beyond The Galaxy!