La vista SDSS en el infrarrojo, con APOGEE, de la galaxia de la Vía Láctea vista hacia el centro. Hace 100 años, esta era nuestra concepción de todo el Universo. Crédito de la imagen: Sloan Digital Sky Survey.

11 avances científicos de los últimos 100 años nos dieron todo nuestro universo

Desde un Universo que no fue más grande que nuestra Vía Láctea hasta los billones de galaxias en nuestro Universo en expansión, nuestro conocimiento aumentó un paso a la vez.

“Gamow fue fantástico en sus ideas. Tenía razón, estaba equivocado. Más a menudo mal que bien. Siempre interesante; ... y cuando su idea no estaba equivocada, no solo era correcta, era nueva ". -Edward Teller

Hace exactamente 100 años, nuestra concepción del Universo era muy diferente de lo que es hoy. Las estrellas dentro de la Vía Láctea eran conocidas, y se sabía que estaban a distancias de hasta miles de años luz de distancia, pero se pensaba que nada más lejos. Se suponía que el Universo era estático, como se suponía que las espirales y elípticas en el cielo eran objetos contenidos dentro de nuestra propia galaxia. La gravedad de Newton aún no había sido derrocada por la nueva teoría de Einstein, y las ideas científicas como el Big Bang, la materia oscura y la energía oscura ni siquiera habían sido pensadas todavía. Pero durante cada década, se hicieron grandes avances, hasta el día de hoy. Aquí hay un punto destacado de cómo cada uno hizo avanzar nuestra comprensión científica del Universo.

Los resultados de la expedición de Eddington de 1919 mostraron, de manera concluyente, que la Teoría general de la relatividad describía la inclinación de la luz de las estrellas alrededor de objetos masivos, derribando la imagen newtoniana. Crédito de la imagen: The Illustrated London News, 1919.

Década de 1910 - ¡La teoría de Einstein confirmada! La Relatividad general era famosa por explicar que la gravedad de Newton no podía: la precesión de la órbita de Mercurio alrededor del Sol. Pero no es suficiente que una teoría científica explique algo que ya hemos observado; necesita hacer una predicción sobre algo que aún no se ha visto. Si bien ha habido muchos durante el siglo pasado (dilatación del tiempo gravitacional, lentes fuertes y débiles, arrastre de marcos, desplazamiento al rojo gravitacional, etc.), el primero fue la inclinación de la luz de las estrellas durante un eclipse solar total, observado por Eddington y sus colaboradores en 1919. La cantidad observada de curvatura de la luz de las estrellas alrededor del Sol fue consistente con Einstein e inconsistente con Newton. Así como así, nuestra visión del Universo cambiaría para siempre.

El descubrimiento de Hubble de una variable Cefeida en la galaxia de Andrómeda, M31, nos abrió el Universo. Crédito de la imagen: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay y el equipo de Hubble Heritage. Crédito de la imagen: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay y el equipo de Hubble Heritage.

Década de 1920: todavía no sabíamos que existía un Universo más allá de la Vía Láctea, pero todo cambió en la década de 1920 con el trabajo de Edwin Hubble. Mientras observaba algunas de las nebulosas espirales en el cielo, pudo identificar estrellas variables individuales del mismo tipo que se conocían en la Vía Láctea. Solo que su brillo era tan bajo que debían estar a millones de años luz de distancia, colocándolos muy lejos del alcance de nuestra galaxia. El Hubble no se detuvo allí, midió la velocidad de recesión y las distancias de más de una docena de galaxias, descubriendo el vasto universo en expansión que conocemos hoy.

Las dos galaxias grandes y brillantes en el centro del Cúmulo de Coma, NGC 4889 (izquierda) y el NGC 4874 (derecha), ligeramente más pequeño, superan cada millón de años luz de tamaño. Pero las galaxias en las afueras, girando tan rápido, apuntan a la existencia de un gran halo de materia oscura en todo el cúmulo. Crédito de la imagen: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

Década de 1930: durante mucho tiempo se pensó que si se podía medir toda la masa contenida en las estrellas y tal vez agregar el gas y el polvo, se podría dar cuenta de toda la materia en el Universo. Sin embargo, al observar las galaxias dentro de un cúmulo denso (como el cúmulo Coma, arriba), Fritz Zwicky demostró que las estrellas y lo que conocemos como "materia normal" (es decir, átomos) eran insuficientes para explicar los movimientos internos de estos cúmulos. Denominó esta nueva materia dunkle materie, o materia oscura, una observación que fue ignorada en gran medida hasta la década de 1970, cuando la materia normal se entendió mejor, y se demostró que la materia oscura existe en gran abundancia en galaxias giratorias individuales. Ahora sabemos que supera la materia normal en una proporción de 5: 1.

La línea de tiempo de la historia de nuestro Universo observable, donde la porción observable se expande a tamaños cada vez más grandes a medida que avanzamos en el tiempo lejos del Big Bang. Crédito de la imagen: equipo científico de NASA / WMAP.

Década de 1940: si bien la gran mayoría de los recursos experimentales y de observación se destinaron a satélites espía, cohetes y el desarrollo de tecnología nuclear, los físicos teóricos todavía estaban trabajando duro. En 1945, George Gamow realizó la última extrapolación del Universo en expansión: si el Universo se está expandiendo y enfriando hoy, entonces debe haber sido más caliente y denso en el pasado. Yendo hacia atrás, debe haber habido un momento en que hacía tanto calor y era tan denso que los átomos neutros no podían formarse, y antes de eso, donde los núcleos atómicos no podían formarse. Si esto fuera cierto, antes de que se formaran las estrellas, ese material con el que comenzó el Universo debería tener una proporción específica de los elementos más ligeros, y debería haber un resplandor sobrante que impregne todas las direcciones en el Universo, solo unos grados por encima del cero absoluto hoy . Este marco se conoce hoy como el Big Bang, y fue la mejor idea que surgió en la década de 1940.

Este corte muestra las diversas regiones de la superficie y el interior del Sol, incluido el núcleo, que es donde se produce la fusión nuclear. El proceso de fusión, en estrellas similares al Sol, así como en sus primos más masivos, es lo que nos permite construir los elementos pesados ​​presentes en todo el Universo hoy. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia Commons Kelvinsong.

Década de 1950 - Pero una idea competitiva para el Big Bang fue el modelo Steady-State, presentado por Fred Hoyle y otros durante el mismo tiempo. Espectacularmente, ambos lados argumentaron que todos los elementos más pesados ​​presentes en la Tierra hoy se formaron en una etapa anterior del Universo. Lo que Hoyle y sus colaboradores argumentaron fue que se hicieron no durante un estado temprano, cálido y denso, sino más bien en generaciones anteriores de estrellas. Hoyle, junto con sus colaboradores Willie Fowler y Geoffrey y Margaret Burbidge, detalló exactamente cómo se construirían los elementos en la tabla periódica de la fusión nuclear que ocurre en las estrellas. De manera más espectacular, predijeron la fusión de helio en carbono a través de un proceso nunca antes observado: el proceso triple alfa, que requiere un nuevo estado de carbono. Fowler descubrió ese estado unos años después de que Hoyle lo propusiera, y hoy se conoce como el Estado Hoyle del carbono. De esto, aprendimos que todos los elementos pesados ​​que existen hoy en la Tierra deben su origen a todas las generaciones anteriores de estrellas.

Si pudiéramos ver la luz de microondas, el cielo nocturno se vería como el óvalo verde a una temperatura de 2.7 K, con el

Década de 1960: después de unos 20 años de debate, se descubrió la observación clave que decidiría la historia del Universo: el descubrimiento del resplandor sobrante pronosticado del Big Bang, o el Fondo Cósmico de Microondas. Este uniforme, radiación de 2.725 K fue descubierto en 1965 por Arno Penzias y Bob Wilson, ninguno de los cuales se dio cuenta de lo que habían descubierto al principio. Sin embargo, con el tiempo, se midió el espectro completo del cuerpo negro de esta radiación e incluso sus fluctuaciones, lo que nos muestra que el Universo comenzó con una "explosión" después de todo.

Las primeras etapas del Universo, antes del Big Bang, son las que establecen las condiciones iniciales a partir de las cuales todo lo que vemos hoy ha evolucionado. Esta fue la gran idea de Alan Guth: la inflación cósmica. Crédito de la imagen: E. Siegel, con imágenes derivadas de ESA / Planck y el grupo de trabajo interagencial DoE / NASA / NSF sobre investigación CMB.

Década de 1970: a fines de 1979, un joven científico tuvo la idea de toda una vida. Alan Guth, buscando una manera de resolver algunos de los problemas inexplicables del Big Bang: por qué el Universo era tan espacialmente plano, por qué tenía la misma temperatura en todas las direcciones y por qué no había reliquias de energía ultraalta. sobre una idea conocida como inflación cósmica. Dice que antes de que el Universo existiera en un estado cálido y denso, estaba en un estado de expansión exponencial, donde toda la energía estaba ligada a la estructura del espacio mismo. Se necesitaron una serie de mejoras en las ideas iniciales de Guth para crear la teoría moderna de la inflación, pero las observaciones posteriores, incluidas las fluctuaciones en el CMB, la estructura a gran escala del Universo y la forma en que las galaxias se agrupan, agrupan y forman. todos han reivindicado las predicciones de inflación. Nuestro universo no solo comenzó con una explosión, sino que existía un estado que existía antes de que ocurriera el Big Bang.

El remanente de la supernova 1987a, ubicada en la Gran Nube de Magallanes a unos 165,000 años luz de distancia. Fue la supernova más cercana observada a la Tierra en más de tres siglos. Crédito de la imagen: Noel Carboni y ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

Década de 1980: puede que no parezca mucho, pero en 1987, la supernova más cercana a la Tierra ocurrió en más de 100 años. ¡También fue la primera supernova que ocurrió cuando tuvimos detectores en línea capaces de encontrar neutrinos de estos eventos! Si bien hemos visto muchas supernovas en otras galaxias, nunca antes habíamos tenido una tan cerca que se pudieran observar neutrinos de ella. Estos más o menos 20 neutrinos marcaron el comienzo de la astronomía de neutrinos, y los desarrollos posteriores han llevado al descubrimiento de oscilaciones de neutrinos, masas de neutrinos y neutrinos de supernovas que ocurren a más de un millón de años luz de distancia. Si los detectores actuales en funcionamiento aún están operativos, la próxima supernova dentro de nuestra galaxia tendrá más de cien mil neutrinos detectados.

Los cuatro posibles destinos del Universo, con el ejemplo inferior que mejor se ajusta a los datos: un Universo con energía oscura. Esto fue descubierto por primera vez con observaciones distantes de supernovas. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Década de 1990: si pensabas que la materia oscura y descubrir cómo comenzó el Universo fue un gran problema, ¡entonces solo puedes imaginar lo impactante que fue en 1998 descubrir cómo iba a terminar el Universo! Históricamente imaginamos tres posibles destinos:

  • Que la expansión del Universo sería insuficiente para superar la atracción gravitacional de todo, y el Universo volvería a colapsar en una Gran Crujida.
  • Que la expansión del Universo sería demasiado grande para la gravitación combinada de todo, y que todo en el Universo huiría uno del otro, lo que resultaría en una Gran Congelación.
  • O que estaríamos justo en la frontera entre estos dos casos, y la tasa de expansión sería así a cero, pero nunca llegaría a alcanzarlo: un universo crítico.

Sin embargo, las supernovas distantes indicaron que la expansión del Universo se estaba acelerando y que a medida que pasaba el tiempo, las galaxias distantes aumentaban su velocidad una de la otra. No solo el Universo se congelará, sino que todas las galaxias que ya no están unidas entre sí eventualmente desaparecerán más allá de nuestro horizonte cósmico. Aparte de las galaxias en nuestro grupo local, ninguna otra galaxia se encontrará con nuestra Vía Láctea, y nuestro destino será frío y solitario. En otros 100 mil millones de años, no podremos ver galaxias más allá de la nuestra.

Las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas fueron medidas con precisión por COBE en la década de 1990, luego con mayor precisión por WMAP en la década de 2000 y Planck (arriba) en la década de 2010. Esta imagen codifica una gran cantidad de información sobre el Universo temprano. Crédito de la imagen: ESA y la colaboración de Planck.

2000 - El descubrimiento del Fondo Cósmico de Microondas no terminó en 1965, pero nuestras mediciones de las fluctuaciones (o imperfecciones) en el resplandor sobrante del Big Bang nos enseñaron algo fenomenal: exactamente de qué estaba hecho el Universo. Los datos de COBE fueron reemplazados por WMAP, que a su vez ha sido mejorado por Planck. Además, los datos de estructura a gran escala de grandes encuestas de galaxias (como 2dF y SDSS) y los datos de supernovas distantes se han combinado para darnos nuestra imagen moderna del Universo:

  • 0.01% de radiación en forma de fotones,
  • 0.1% de neutrinos, que contribuyen muy ligeramente a los halos gravitacionales que rodean las galaxias y los cúmulos,
  • 4.9% de materia normal, que incluye todo hecho de partículas atómicas,
  • 27% de materia oscura, o las partículas misteriosas que no interactúan (excepto gravitacionalmente) que le dan al Universo la estructura que observamos,
  • y 68% de energía oscura, que es inherente al espacio mismo.
Los sistemas de Kepler-186, Kepler-452 y nuestro Sistema Solar. Si bien el planeta alrededor de una estrella enana roja como Kepler-186 es interesante por sus propios derechos, Kepler-452b puede ser mucho más parecido a la Tierra según varias métricas. Crédito de la imagen: NASA / JPL-CalTech / R. Herir.

Década de 2010: la década aún no ha terminado, pero hasta ahora hemos descubierto nuestros primeros planetas habitables potencialmente similares a la Tierra, entre los miles y miles de nuevos exoplanetas descubiertos por la misión Kepler de la NASA, entre otros. Sin embargo, podría decirse que ese ni siquiera es el mayor descubrimiento de la década, ya que la detección directa de ondas gravitacionales de LIGO no solo confirma la imagen que Einstein pintó por primera vez, de gravedad, en 1915. Más de un siglo después de que la teoría de Einstein compitiera por primera vez Con Newton para ver cuáles eran las reglas gravitacionales del Universo, la relatividad general ha superado todas las pruebas que se le arrojan, logrando hasta las complejidades más pequeñas jamás medidas u observadas.

Ilustración de la fusión de dos agujeros negros, de una masa comparable a la que LIGO ha visto. La expectativa es que debería haber muy poco en el camino de una señal electromagnética emitida por tal fusión, pero la presencia de materia fuertemente calentada que rodea a estos objetos podría cambiar eso. Crédito de la imagen: SXS, el proyecto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

La historia científica aún no se ha terminado, ya que aún hay mucho más por descubrir del Universo. Sin embargo, estos 11 pasos nos han llevado de un Universo de edad desconocida, no más grande que nuestra propia galaxia, compuesta principalmente de estrellas, a un Universo en expansión y refrescante alimentado por materia oscura, energía oscura y nuestra propia materia normal, repleta de potencialmente habitable. planetas y que tiene 13.800 millones de años, originados en un Big Bang que fue creado por la inflación cósmica. Conocemos el origen de nuestro Universo, su destino, cómo se ve hoy y cómo llegó a ser así. Que los próximos 100 años contengan tantos avances científicos, revoluciones y sorpresas para todos nosotros.

Starts With A Bang ahora está en Forbes y se volvió a publicar en Medium gracias a nuestros seguidores de Patreon. Ethan es autor de dos libros, Beyond The Galaxy, y Treknology: The Science of Star Trek desde Tricorders hasta Warp Drive.