Når det kommer til vores kosmiske oprindelse, er en række teorier blevet fremført gennem historien. Bogstaveligt talt enhver kultur, der nogensinde har eksisteret, har haft sin egen mytologiske tradition, som naturligvis inkluderede en skabelseshistorie. Med fødslen af den videnskabelige tradition begyndte videnskabsmænd at forstå universet i form af fysiske love, der kunne testes og bevises.
Med begyndelsen af rumalderen begyndte videnskabsmænd at teste kosmologiske teorier i form af observerbare fænomener. Ud fra alt dette opstod en række teorier i sidste halvdel af det 20. århundrede, som forsøgte at forklare, hvordan alt stof og de fysiske love, der styrer det, blev til. Af disse er Teorien om Big Bang forbliver den mest accepterede, mens Steady-State-hypotesen historisk set har været dens største udfordrer.
Steady-State modellen siger, at tætheden af stof i det ekspanderende univers forbliver uændret over tid på grund af den kontinuerlige skabelse af stof. Med andre ord forbliver det observerbare univers i det væsentlige det samme uanset tid eller sted. Dette stiller det i skarp kontrast til teorien om, at størstedelen af stoffet blev skabt i en enkelt begivenhed (Big Bang) og har vokset lige siden.
Illustration, der viser tre trin, som astronomer brugte til at måle universets ekspansionshastighed (Hubbles konstant). Kreditering: NASA, ESA, A. Feild (STScI) og A. Riess (STScI/JHU)
Oprindelse
Mens forestillingen om et stabilt og uforanderligt univers er blevet omfavnet gennem historien, var det først i den tidlige moderne periode, at videnskabsmænd begyndte at fortolke dette i astrofysiske termer. Det første klare eksempel på, at dette blev argumenteret i forbindelse med astronomi og kosmologi var i Isaac Newton ’s Matematiske principper for naturfilosofi (Matematiske principper for naturfilosofi) udgivet i 1687.
I Newtons magnum opus konceptualiserede han universet hinsides solsystemet som et tomt rum, der strakte sig ensartet i alle retninger til umådelige afstande. Han forklarede yderligere gennem matematiske beviser og observationer, at al bevægelse og dynamik i dette system blev forklaret gennem det enkelte princip om universel gravitation .
Men det, der ville blive kendt som Steady State-hypotesen, dukkede først op i begyndelsen af det 20. århundrede. Denne kosmologiske model var inspireret af en række opdagelser, såvel som gennembrud inden for teoretisk fysik. Disse inkluderede Albert Einstein ’s Generel relativitetsteori og Edwin hubble 's observationer af, at universet er i en tilstand af ekspansion.
Einstein formaliserede denne teori i 1915 efter at have besluttet at udvide sin teori om Særlig relativitet at inkorporere tyngdekraften. I sidste ende siger denne teori, at tyngdekraften af stof og energi direkte ændrer krumningen rumtid omkring det. Eller som den berømte teoretiske fysiker John Wheeler opsummerede det, 'rum-tid fortæller noget om, hvordan man bevæger sig; materie fortæller rum-tid, hvordan man kurver.'
Illustration af den dybde, hvormed Hubble afbildede galakser i tidligere Deep Field-initiativer, i enheder fra universets tidsalder. Kredit: NASA og A. Feild (STScI)
I 1917 viste teoretiske beregninger baseret på Einsteins feltligninger, at universet måtte være i enten en tilstand af ekspansion eller sammentrækning. I 1929, observationer foretaget af George Lemaitre (som foreslog Big Bang Theory) og Edwin Hubble (ved hjælp af 100 tommer Hooker teleskop ved Mount Wilson Observatory ) viste, at sidstnævnte var tilfældet.
Baseret på disse åbenbaringer begyndte en debat i 1930'erne om universets mulige oprindelse og sande natur. På den ene side var der dem, der hævdede, at universet var begrænset i alder og udviklede sig over tid gennem afkøling, udvidelse og dannelsen af strukturer på grund af gravitationssammenbrud. Denne teori blev satirisk kaldt 'Big Bang' af Fred Hoyle, og navnet holdt fast.
I mellemtiden holdt flertallet af astronomer på det tidspunkt fast i teorien om, at mens det observerbare univers udvider sig, ændres det ikke desto mindre med hensyn til stoffets tæthed. Kort sagt hævdede tilhængere af denne teori, at universet ikke har nogen begyndelse, ingen ende, og at stof konstant bliver skabt over tid - med en hastighed på et brintatom pr. kubikmeter pr. 100 milliarder år.
Denne teori udvidede også Einsteins kosmologiske princip, aka. Kosmologisk konstant (CC), som Einstein foreslog i 1931. Ifølge Einstein var denne kraft ansvarlig for at 'holde tyngdekraften tilbage' og sikre, at universet forblev stabilt, homogent og isotropt i forhold til dets struktur i stor skala.
Ved at ændre dette princip og udvide det hævdede medlemmer af Steady State-tankegangen, at det var den kontinuerlige skabelse af stof, der sikrede, at universets struktur forblev den samme over tid. Dette er ellers kendt som det perfekte kosmologiske princip, som frigør Steady State-hypotesen.
Steady State-teorien blev almindeligt kendt i 1948 med udgivelsen af to artikler: ' En ny model for et ekspanderende univers ” af den engelske astronom Fred Hoyle, og ” Steady-State-teorien og det ekspanderende univers ” af det britisk-østrigske astrofysiker- og kosmologhold af Hermann Bondi og Thomas Gold.
Nøgleargumenter og forudsigelser
Argumenter til fordel for Steady State-hypotesen inkluderer det tilsyneladende tidsskalaproblem, der er rejst af den observerede hastighed af kosmisk ekspansion (alias Hubble konstant eller Hubble-Lemaitre-loven). Baseret på Hubbles observationer af nærliggende galakser, beregnede han, at universet udvidede sig med en hastighed, der steg systematisk med afstanden.
Dette gav anledning til ideen om, at universet begyndte at udvide sig fra et meget mindre rumfang. I fravær af acceleration/deceleration - 500 km/s pr. Megaparsec (310 mps pr. Mpc) - betød Hubble-konstanten, at alt stof har udvidet sig i omkring 2 milliarder år - hvilket også ville være universets øvre alder.
Hvilket stof og antistof kan ligne at udslette hinanden. Kredit: NASA/CXC/M. Weiss
Dette fund blev modsagt af radioaktiv datering, hvor videnskabsmænd målte henfaldshastigheden for aflejringer af Uranium-238 og Plutonium-205 i stenprøver. Ved at bruge denne metode blev de ældste prøver af sten (som var af måneoprindelse) anslået til at være 4,6 milliarder år gamle. En anden uoverensstemmelse dukkede op som et resultat af stjernernes evolutionsteori.
Kort sagt, den hastighed, hvormed brint smelter sammen i stjerners indre (for at skabe helium) giver et øvre aldersestimat på 10 milliarder år for kuglehobe – de ældste stjerner i galaksen. Hvad mere er, kunne der ikke være sket nogen udvikling på store afstande i denne model - hvilket ville betyde, at radiokilder - aka. kvasarer eller Aktive galaktiske kerner (AGN'er) - ville være ensartet i hele universet.
Det ville også betyde, at Hubble-konstanten (som beregnet i begyndelsen af det 20. århundrede) ville forblive konstant. Steady-State-modellen forudsagde også, at den konstante skabelse af antistof og neutroner ville resultere i regelmæssige udslettelse og neutronnedbrydning, og dermed føre til eksistensen af en gammastrålebaggrund og varm røntgenstråleudsendende gas i hele universet.
Big Bang For The Win
Men igangværende observationer i 1950'erne og 1960'erne førte støt til en opbygning af beviser mod Steady State-hypotesen. Disse omfattede opdagelsen af lyse radiokilder (også kendt som kvasarer og radiogalakser), som blev opdaget i fjerne galakser, men ikke dem, der var tættest på os - hvilket indikerer, at mange galakser blev 'radiostille' over tid.
Dette eneste billede fra himmelen, taget af Planck-teleskopet, fangede samtidig to snapshots af CMB. Kredit: ESA
I 1961, undersøgelser af radiokilder gav mulighed for at lave statistiske analyser, som udelukkede muligheden for, at lyse radiogalakser var ensartet fordelt. Et andet vigtigt argument mod Steady State-hypotesen var opdagelsen af Kosmisk mikroovn baggrund (CMB) i 1964, hvilket Big Bang-modellen forudsagde.
Kombineret med fraværet af en gamma-ray baggrund og gennemtrængende skyer af røntgen-emitterende gas, blev Big Bang-modellen bredt accepteret i 1960'erne. I 1990'erne blev observationer med Hubble-rumteleskopet og andre observatorier opdagede også, at den kosmiske ekspansion ikke har været konsistent over tid. I løbet af de sidste tre milliarder år har det faktisk været accelereret.
Dette har ført til adskillige forbedringer af Hubble-konstanten. Baseret på data indsamlet af Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), er hastigheden af kosmisk ekspansion i øjeblikket anslået at være mellem 70 og 73,8 km/s pr. Mpc (43,5 til 46 mps pr. Mpc) med en fejlmargin på 3 %. Disse værdier er langt mere i overensstemmelse med observationer, der placerer universets alder på omkring 13,8 milliarder år.
Moderne varianter
Fra 1993 begyndte Fred Hoyle og astrofysikerne Geoffrey Burbidge og Jayant V. Narlikar at udgive en række undersøgelser, hvori de foreslog en ny version af Steady State Hypothesis. Kendt som Kvasi-Steady-State hypotese (QSS), denne variation forsøgte at forklare kosmologiske fænomener, som den gamle teori ikke tog højde for.
Denne model antyder, at universet er resultatet af skabelseslommer (aka. mini-bang), der sker i løbet af mange milliarder år. Denne model blev ændret som svar på data, der viste, hvordan universets ekspansionshastighed accelererer. På trods af disse modifikationer anser det astronomiske samfund stadig Big Bang for at være den bedste model til at forklare alle observerbare fænomener.
I dag er denne model kendt som Lambda-Cold Dark Matter (LCDM)-modellen, som inkorporerer aktuelle teorier om Dark Matter og Dark Energy med Big Bang-teorien. På trods af det er Steady State-hypotesen (og varianter deraf) stadig fortaler for af nogle astrofysikere og kosmologer. Og det er ikke det eneste alternativ til Big Bang Kosmologi...
Vi har skrevet mange artikler om kosmologi her på Universe Today. Her er Hvad er universet , Big Bang Theory: Udviklingen af vores univers , Hvad er teorien om oscillerende univers? , Hvad er The Big Rip? , Hvad er multiverseteorien? , Hvad er superstrengteori? , Hvad er den kosmiske mikrobølgebaggrund? , The Big Crunch: The End of Our Universe? , Hvad er Big Freeze? , og Kosmologi 101: Slutningen .
Astronomi Caster også nogle interessante episoder om emnet. Her er Afsnit 5: The Big Bang og Cosmic Microwave Background , Afsnit 6: More Evidence for the Big Bang , Afsnit 79: How Big is the Universe? , Afsnit 187: History of Astronomy, del 5: det 20. århundrede , og Afsnit 499: Hvad er den foreslåede Hubble-Lemaitre-lov? .
Kilder:
- Wikipedia – Kosmologisk princip
- Wikipedia – Steady-State-hypotese
- Kosmologiideer – Big Bang eller Steady State?
- Encyclopedia Britannica – Steady-State Theory
- UBC Astronomy and Astrophysics – Fundamental Issues in Cosmology
- ' En ny model for det ekspanderende univers ,” Hoyle, F. MNRAS, bind. 108, nr. 372 (1948)
- ' Quasi-steady-state og beslægtede kosmologiske modeller: En historisk gennemgang ,” Kragh. H.(2012)
- ' Steady-State-teorien om det ekspanderende univers 'MNRAS, bind. 108, s. 252 (1948)
- ' Einsteins steady-state teori: en forladt model af kosmos ,” The European Physical Journal H, vol. 39, s. 353-367 (2014)
- ' En kvasi-steady state kosmologisk model med skabelse af stof ,” Hoyle, F.; Burbidge, G.; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, s. 437 (1993)