Šī lielā, izplūdušā izskata galaktika ir tik izkliedēta, ka astronomi to sauc par “caurspīdīgu” galaktiku, jo viņi skaidri var redzēt tālas galaktikas aiz tās. Spocīgajam objektam, kas katalogizēts kā NGC 1052-DF2, nav izteikta centrālā apgabala vai pat spirālveida ieroči un disks, kas ir tipiski spirālveida galaktikas raksturlielumi. Bet tas neizskatās arī kā eliptiska galaktika, jo tās ātruma izkliede ir nepareiza. Pat tās globālās kopas ir nepāra bumbiņas: tās ir divreiz lielākas nekā tipiskās zvaigžņu grupas, kas redzamas citās galaktikās. Visas šīs dīvainības ir blāvas salīdzinājumā ar šīs galaktikas visdīvainākajiem aspektiem: NGC 1052-DF2 ir ļoti diskutabls, jo tajā acīmredzami trūkst tumšās vielas. Tas varētu atrisināt milzīgu kosmisko mīklu. (NASA, ESA UN P. VAN DOKKUM (YALE UNIVERSITY))

Kosmoloģijas vienīgās lielās problēmas rada radušies pārpratumi

Tumšā matērija, tumšā enerģija, inflācija un Lielais sprādziens ir reāli, un visas alternatīvas iespaidīgi izgāžas.

Ja sekojat līdzi jaunākajiem zinātnes jaunumiem, iespējams, esat iepazinies ar daudziem strīdiem par paša Visuma dabu. Tumšā matērija, kas, domājams, pārsniedz parasto atomu daudzumu ar attiecību 5: 1, varētu būt nevajadzīga, un to var aizstāt ar mūsu gravitācijas likuma modifikāciju. Tumšā enerģija, kas veido divas trešdaļas no Visuma, ir atbildīga par paātrinātu kosmosa izplešanos, bet par pašu izplešanās ātrumu pat nav panākta vienošanās. Un kosmisko inflāciju nesen daži mazina kā nezinātnisku, jo daži no tās slāpētājiem apgalvo, ka tā var kaut ko paredzēt, un tāpēc neko neparedz.

Ja jūs tos visus saskaitīsit, kā to izdarīja filozofs Bjerns Ekebergs savā nesenajā publikācijā par zinātnisko amerikāni, jūs varētu domāt, ka kosmoloģija bija krīzes stāvoklī. Bet, ja jūs esat rūpīgs zinātnieks, tieši pretēji. Lūk, kāpēc.

Ja paskatās arvien tālāk un tālāk, jūs skatāties arī tālāk un tālāk uz pagātni. Jo agrāk jūs ejat, jo karstāks un blīvāks, kā arī mazāk attīstīts, jo Visums izrādās. Agrākie signāli potenciāli var pat pastāstīt par to, kas notika pirms karstā lielā sprādziena brīžiem. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

Zinātne ir kas vairāk nekā tikai faktu apkopojums, lai gan tā noteikti ir atkarīga no visa datu un informācijas komplekta, ko esam apkopojuši par dabas pasauli. Zinātne ir arī process, kurā dominējošās teorijas un ietvari saskaras ar pēc iespējas vairāk jauniem testiem, cenšoties vai nu apstiprināt, vai atspēkot mūsu veiksmīgāko ideju izrietošās prognozes.

Šeit ir zinātnes robežas: mūsu vadošo teoriju pamatotības robežas. Mēs veicam prognozes, mēs izejam un pārbaudām tās eksperimentāli un novērojot, un pēc tam mēs ierobežojam, revidējam vai paplašinām savas idejas, lai iekļautu visu iegūto jauno informāciju. Daudzu galvenais sapnis ir revolucionizēt to, kā mēs uztveram savu pasauli, un aizstāt mūsu pašreizējās teorijas ar kaut ko vēl veiksmīgāku un dziļāku.

Ilgi pirms BOOMERanG datu atgriešanās, CMB spektra mērīšana no COBE parādīja, ka no Lielā sprādziena palikušais mirdzums ir ideāls melnais ķermenis. Viens no iespējamiem alternatīvajiem skaidrojumiem bija atstarotās zvaigznes apgaismojums, kā prognozēja kvazistatīvā stāvokļa modelis, taču spektrālās intensitātes atšķirība starp prognozēto un novēroto parādīja, ka šī alternatīva nevar izskaidrot redzēto. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSIJAS)

Bet tas nav tik viegls uzdevums, lai reproducētu mūsu vadošo zinātnisko teoriju panākumus, vēl mazāk - pārsniegt viņu pašreizējos ierobežojumus. Cilvēkiem, kurus aizrauj idejas, kas ir pretrunā ar spēcīgiem novērojumiem, ir bijuši ļoti grūti laiki, ļaujot izdarīt vēlamos secinājumus. Šī ir bijusi atkārtota tēma visā zinātnes vēsturē, un tajā ietilpst:

  • Freds Hoils gandrīz 40 gadus pēc Kosmiskā mikroviļņu fona atklāšanas atteicās pieņemt Lielo sprādzienu,
  • Haltons Arps uzstāj, ka kvazāri nav tālu objekti, neskatoties uz gadu desmitiem ilgiem datiem, kas pierāda, ka viņu sarkanās nobīdes nav kvantētas,
  • Hannes Alfvens un viņa vēlākie sekotāji uzstāj, ka gravitācija nedominē Visumā lielos mērogos un ka plazmas nosaka Visuma plaša mēroga struktūru pat pēc neskaitāmiem novērojumiem, kas ir atspēkojuši ideju.

Lai arī pati zinātne var būt objektīva, zinātnieki nē. Mēs varam kļūt par upuri tiem pašiem izziņas aizspriedumiem, ko var jebkurš cits. Kad mēs esam izvēlējušies vēlamos secinājumus, mēs bieži sevi apmānām, izmantojot kļūdainu motivētas spriešanas praksi.

Visuma vēstures shematiska diagramma, izceļot reionizāciju. Pirms zvaigžņu vai galaktiku veidošanās Visums bija pilns ar gaismas bloķējošiem, neitrāliem atomiem. Kaut arī lielākā daļa Visuma tiek reionizēti tikai pēc 550 miljoniem gadu pēc tam, kad pirmie lielie viļņi notiek aptuveni 250 miljonu gadu laikā, dažas laimīgas zvaigznes var veidoties tikai 50 līdz 100 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena un līdz ar pareizos rīkus, mēs varam atklāt agrākās galaktikas. (SG DJORGOVSKI ET AL., CALTECH DIGITAL MEDIA CENTRS)

No turienes vispirms nāca slavenais aforisms, ka “fizika vienlaikus virza vienu apbedīšanu”. Šo ideju sākotnēji izvirzīja Makss Planks ar šādu paziņojumu:

Jauna zinātniska patiesība neuzvar, pārliecinot savus pretiniekus un liekot viņiem ieraudzīt gaismu, bet gan tāpēc, ka tās pretinieki galu galā mirst, un izaug jauna paaudze, kas to pārzina.

Lielā problēma, ko daudzi nezinātnieki (un pat daži zinātnieki) nekad nesapratīs, ir šāda: jūs vienmēr varat savirzīt savas teorētiskās idejas, lai piespiestu tās būt dzīvotspējīgām un atbilstošām novērotajam. Tieši tāpēc jebkuras teorijas galvenais ir pārliecinošas prognozes izdarīt pirms laika: pirms tiek veikts kritiskais novērojums vai mērījums. Tādā veidā jūs varat būt pārliecināti, ka pārbaudāt savu teoriju, nevis ķeraties pie parametriem pēc fakta.

Saskaņā ar nogurušās gaismas hipotēzi, no katra objekta saņemto fotonu skaits sekundē samazinās proporcionāli tā attāluma kvadrātam, savukārt redzamo objektu skaits palielinās, palielinoties attāluma kvadrātam. Objektiem jābūt sarkanākiem, bet tiem vajadzētu izstarot nemainīgu fotonu skaitu sekundē kā attāluma funkciju. Paplašināmā Visumā mēs tomēr saņemam mazāk fotonu sekundē, jo laiks iet, jo Visuma paplašināšanās laikā tiem ir jānobrauc lielāki attālumi, un sarkano nobīdi samazina arī enerģija. Pat ja ņem vērā galaktiku evolūciju, mainās virsmas spilgtums, kas lielākos attālumos kļūst vienmērīgāks, atbilstoši tam, ko redzam. (WIKIMEDIA COMMONS USER STIGMATELLA AURANTIACA)

Kā izrādās, tas ir tieši tas, kā mēs, gandrīz katrā ziņā, ķērāmies pie vadošā kosmoloģiskā modeļa, kāds mums šodien ir.

Paplašināšanās Visuma jēdzienu teorētiski paredzēja Aleksandrs Frīdmans 1922. gadā, kad viņš atvasināja to, ko es esmu nosaucis par vissvarīgāko vienādojumu Visumā. Vesto Slidera, Edvina Habla un Miltona Humasona novērojumi to apstiprināja tikai dažus gadus vēlāk, novedot pie mūsdienu izpratnes par paplašinošo Visumu.

Saskaņā ar Penzias un Wilson sākotnējiem novērojumiem, galaktiskā plakne izstaroja dažus astrofiziskus starojuma avotus (centrā), savukārt virs un zem šīs plaknes pastāvēja gandrīz ideāls, vienmērīgs radiācijas fons. Tagad ir izmērīta šī starojuma temperatūra un spektrs, un vienošanās ar Lielā sprādziena prognozēm ir ārkārtēja. (NASA / WMAP ZINĀTNES KOMANDA)

Pēc tam parādījās daudzi konkurējoši Visuma izcelsmes skaidrojumi, Lielajam sprādzienam bija četri skaidri izteikti stūrakmeņi:

  1. paplašinošais Visums,
  2. paredzamo gaismas elementu pārpilnība, kas radusies Lielā sprādziena karstā, blīvā, agrīnajā posmā,
  3. paliekošs fotonu mirdzums tikai dažus grādus virs absolūtās nulles,
  4. un liela mēroga struktūras izveidošana ar konstrukcijām, kurām jāattīstās ar attālumu.

Visi šie četri tagad ir novēroti, pēdējie trīs notiek pēc Lielā sprādziena ierosināšanas. Jo īpaši atskaites punkts bija fotonu pārpalikuma mirdzuma atklāšana 60. gadu vidū. Tā kā šos četrus novērojumus nevar ņemt vērā neviens cits pamatsistēma, tagad Lielajam sprādzienam nav reālu alternatīvu.

CMB svārstības, liela mēroga struktūras veidošanās un korelācijas, kā arī mūsdienu gravitācijas objektīvu novērojumi daudzu citu starpā norāda uz vienu un to pašu attēlu: paātrinošo Visumu, kas satur un ir pilns ar tumšo vielu un tumšo enerģiju. Jāņem vērā arī alternatīvas, kas piedāvā atšķirīgus novērojamus paredzējumus, taču tās jāsalīdzina ar visu novēroto pierādījumu komplektu. (CHRIS BLAKE UN SAM MOORFIELD)

Paplašinoties dzesējošajam Visumam, kas sākās no karstas, blīvas, matēriju un starojuma piepildīta stāvokļa, kuru visu regulē Einšteina vispārējā relativitāte, ir vairākas iespējas, kā Visums varēja izvērsties, taču tas nav bezgalīgs numuru. Pastāv attiecības starp to, kas atrodas Visumā, un to, kā attīstās tā paplašināšanās ātrums, un tas ārkārtīgi ierobežo to, kas iespējams.

Tas ir vienīgais apgalvojums, kas Ekeberga skaņdarbā ir viennozīmīgi pareizs.

Kad esat pieņēmis Lielo sprādzienu un Visumu, kuru pārvalda vispārējā relativitāte, ir milzīgs pierādījumu komplekts, kas norāda uz tumšās matērijas un tumšās enerģijas esamību. Arī šis nav jauns komplekts, bet tas, kas tiek montēts kopš 70. gadiem. Tumšās enerģijas galvenais konkurents aizgāja prom pirms apmēram 15 gadiem, atstājot tikai Visumu ar tumšo vielu un tumšo enerģiju kā dzīvotspējīgu kosmoloģiju, lai izskaidrotu pilnu pierādījumu kopumu.

Trīs enerģijas ierobežojumi no trim neatkarīgiem avotiem: supernovām, CMB un BAO (kas ir Visuma plaša mēroga struktūras iezīme.) Ņemiet vērā, ka pat bez supernovām mums būtu nepieciešama tumšā enerģija un ka tikai viena sestā daļa no atrastā viela var būt normāla matērija; pārējam jābūt tumšai matērijai. (SUPERNOVAS KOSMOLOĢIJAS PROJEKTS, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Tā ir atslēga, kas tik bieži tiek aizmirsta: jums ir jāizvērtē pilns pierādījumu komplekts, lai novērtētu savas teorijas vai ietvara panākumus vai neveiksmes. Protams, jūs vienmēr varat atrast atsevišķus novērojumus, kas jūsu teorijai rada grūtības izskaidrot, bet tas nenozīmē, ka varat to vienkārši aizstāt ar kaut ko, kas veiksmīgi izskaidro šo vienu novērojumu.

Jums ir jāatskaitās par visu, kā arī par jauno novērojumu, kā arī par jaunām parādībām, kas vēl nav novērotas.

Tā ir katras alternatīvas problēma. Katra alternatīva paplašinātajam Visumam, Lielajam sprādzienam, tumšajai matērijai, tumšajai enerģijai vai inflācijai pat nespēj atspoguļot visu, kas jau novērots, vēl jo mazāk - pārējo. Tāpēc praktiski katrs strādājošais zinātnieks uzskata šīs piedāvātās alternatīvas par vienkāršu smilšu kasti, nevis par nopietnu izaicinājumu vispārējai vienprātībai.

Karīnas punduru galaktikai, kuras lielums, zvaigžņu sadalījums un morfoloģija ir ļoti līdzīga Draco punduru galaktikai, ir ļoti atšķirīgs gravitācijas profils nekā Draco. To var tīri izskaidrot ar tumšo vielu, ja to var uzkarst, veidojot zvaigzni, bet nevis ar modificētu smagumu. (ESO / G. BONO & CTIO)

Tur tiešām ir galaktikas, kurās nav tumšās matērijas, bet to prognozē teorija. Faktiski pirms gandrīz desmit gadiem ievērojams līgumslēdzējs atzīmēja galaktiku trūkumu bez tumšās matērijas un apgalvoja, ka tas ir viltojis tumšās matērijas modeli. Kad tika atklātas šīs galaktikas bez tumšās matērijas, tas pats zinātnieks uzreiz apgalvoja, ka tās saskan ar modificētu smagumu. Bet tikai tumšā matērija izskaidro visu pierādījumu kopumu, kas attiecas uz Visumu.

Patiešām, pastāv atšķirība starp divām dažādām grupu kopām, kas mēģina izmērīt Visuma izplešanās ātrumu. Atšķirība ir 9%, un tā varētu būt fundamentāla kļūda vienas grupas tehnikā. Vēl aizraujošāk, tas varētu būt pazīme, ka tumšā enerģija vai kāds cits Visuma aspekts ir sarežģītāks nekā mūsu naivie pieņēmumi. Bet tumšā enerģija joprojām ir nepieciešama abos virzienos; vienīgā “krīze” ir aritmētiski izgatavota.

Acīmredzamā izplešanās ātruma (y ass) un attāluma (x ass) grafiks atbilst Visumam, kas pagātnē paplašinājās ātrāk, bet kur tālas galaktikas šodien paātrina savas lejupslīdes laikā. Šī ir moderna Habla oriģināldarba versija, kas tūkstošiem reižu ir plašāka. Ņemiet vērā faktu, ka punkti neveido taisnu līniju, norādot izplešanās ātruma izmaiņas laika gaitā. Fakts, ka Visums seko līknei, ko tas dara, norāda uz tumšās enerģijas klātbūtni un vēlīna laika dominēšanu. (NED WRIGHT, balstoties uz jaunākajiem datiem no BETOULE ET AL. (2014))

Visbeidzot, ir kosmiskā inflācija, Visuma fāze, kas notika pirms karstā Lielā sprādziena, izveidojot sākotnējos apstākļus, ar kuriem mūsu Visums ir dzimis. Lai arī to bieži izjūt daudzi, inflācija nekad nebija paredzēta kā galīgā un galīgā atbilde, bet drīzāk kā ietvars, lai atrisinātu mīklas, kuras Lielais sprādziens nespēj izskaidrot, un lai izteiktu jaunas prognozes, kas raksturo agrīno Visumu.

Šajos kontos tas ir iespaidīgi veiksmīgs. Inflācija:

  1. veiksmīgi atkārto visas karstā lielā sprādziena prognozes,
  2. atrisina horizonta, līdzenuma un monopola mīklas, kas skāra neinflācijas lielo sprādzienu,
  3. un izteica sešas jaunas prognozes, kas atšķīrās no vecā stila Lielā sprādziena, un vismaz četras no tām tagad ir apstiprinātas.
Kvantu svārstības, kas rodas inflācijas laikā, stiepjas visā Visumā, un, inflācijai beidzoties, tās kļūst par blīvuma svārstībām. Laika gaitā tas noved pie plaša mēroga struktūras mūsdienu Visumā, kā arī CMB novērotajām temperatūras svārstībām. Šīs jaunās prognozes ir būtiskas, lai parādītu precizējošā mehānisma pamatotību. (E. Sīgelis ar attēliem, kas iegūti no ESA / PLANCK un DOE / NASA / NSF INTERAGENCY UZDEVUMA SPĒKĀ CMB PĒTNIECĪBAI)

Teikt, ka kosmoloģijai ir dažas interesantas mīklas, ir pārliecinoši; apgalvot, ka tai ir lielas problēmas, nav kaut kas, kam piekristu vairums kosmologu. Ekebergs inflācijas lielo sprādzienu ar tumšo vielu un tumšo enerģiju aplūko šādi:

Šis labi zināmais stāsts parasti tiek uzskatīts par pašsaprotamu zinātnisku faktu, neskatoties uz nosacīto empīrisko pierādījumu trūkumu - un par spīti pastāvīgajām neatbilstībām, kas rodas, novērojot tālo Visumu.

Apgalvojot, ka trūkst empīrisku pierādījumu, tas pilnīgi neizprot, kas ir zinātne vai kā darbojas zinātne kopumā un īpaši šajā konkrētajā jomā, kur ir daudz datu un augstas kvalitātes dati. Norāde uz “vienmērīgu neatbilstību rašanos” ir nepatīkams - un es uzdrošinos apzināti - pierādījumu nepareizs lasījums, ko Ekebergs izmantoja, lai virzītu uz priekšu solipsistisku, filozofiski tukšu, pretzinātnisku darba kārtību.

Daudzas tuvējās galaktikas, ieskaitot visas vietējās grupas galaktikas (lielākoties sagrupētas galējā kreisajā pusē), parāda saistību starp to masu un ātruma izkliedi, kas norāda uz tumšās vielas klātbūtni. NGC 1052-DF2 ir pirmā zināmā galaktika, kas, šķiet, ir izgatavota tikai no normālas vielas. (DANIELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Mums vienmēr jāapzinās ierobežojumi un pieņēmumi, kas raksturīgi jebkurai mūsu izvirzītajai zinātniskajai hipotēzei. Katrai teorijai ir noteikts derīguma diapazons, un diapazons, kurā mēs paplašinām savas prognozes, pārsniedzot zināmās robežas. Teorija ir tik laba, cik pārbaudāmas prognozes tā var sniegt; virzība uz jaunu novērošanas vai eksperimentālo teritoriju ir tā, kur mums jāmeklē, ja mēs kādreiz ceram nomainīt mūsu pašreizējo izpratni.

Bet mēs nedrīkstam aizmirst vai izmest esošos vispārējās relativitātes panākumus, paplašinošos Visumu, Lielo sprādzienu, tumšo vielu, tumšo enerģiju vai inflāciju. Ārpus mūsu pašreizējām teorijām kā obligāta prasība ir iekļaut un atkārtot viņu triumfu. Kamēr spēcīga alternatīva nevar sasniegt šo slieksni, visi dominējošās paradigmas “lielo problēmu” izteikumi jāizturas pret to, kādi tie ir: ideoloģiski virzīti pārveidojumi bez nepieciešamiem zinātniskiem nopelniem, lai tos atbalstītu.

Starts With A Bang tagad ir pieejams Forbes un, pateicoties mūsu Patreon atbalstītājiem, tiek publicēts vidējā versijā. Etāns ir rakstījis divas grāmatas “Beyond The Galaxy” un “Treknoloģija: Zvaigžņu pārgājienu zinātne no Tricorders līdz Warp Drive”.