När det kommer till vårt kosmiska ursprung har ett antal teorier förts fram under historiens gång. Bokstavligen varje kultur som någonsin funnits har haft sin egen mytologiska tradition, som naturligtvis inkluderade en skapelseberättelse. Med födelsen av den vetenskapliga traditionen började forskare förstå universum i termer av fysiska lagar som kunde testas och bevisas.
Med rymdålderns gryning började forskare testa kosmologiska teorier i termer av observerbara fenomen. Ur allt detta uppstod ett antal teorier under senare hälften av 1900-talet som försökte förklara hur all materia och de fysiska lagarna som styrde den kom till. Av dessa är Big Bang teorin är fortfarande den mest accepterade medan Steady-State-hypotesen historiskt sett har varit dess största utmanare.
Steady-State-modellen säger att materiens densitet i det expanderande universum förblir oförändrad över tiden på grund av den kontinuerliga skapandet av materia. Med andra ord, det observerbara universum förblir i huvudsak detsamma oavsett tid eller plats. Detta ställer det i skarp kontrast till teorin att majoriteten av materien skapades i en enda händelse (Big Bang) och har expanderat sedan dess.
Illustration som visar tre steg som astronomer använde för att mäta universums expansionshastighet (Hubbles konstant). Medverkande: NASA, ESA, A. Feild (STScI) och A. Riess (STScI/JHU)
Ursprung
Även om föreställningen om ett stabilt och oföränderligt universum har anammats genom historien, var det inte förrän i den tidigmoderna perioden som forskare började tolka detta i astrofysiska termer. Det första tydliga exemplet på att detta argumenterades i samband med astronomi och kosmologi var i Isaac Newton ’s Matematiska principer för naturfilosofi (Matematiska principer för naturfilosofi) publicerad 1687.
I Newtons magnum opus föreställde han universum bortom solsystemet som ett tomt utrymme som sträckte sig enhetligt i alla riktningar till omätbara avstånd. Han förklarade vidare genom matematiska bevis och observationer att all rörelse och dynamik i detta system förklarades genom den enda principen om universell gravitation .
Det som skulle komma att kallas Steady State Hypothesis dök dock inte upp förrän i början av 1900-talet. Denna kosmologiska modell inspirerades av ett antal upptäckter, såväl som genombrott inom teoretisk fysik. Dessa inkluderade Albert Einstein ’s Allmän relativitetsteori och Edwin hubble s observationer att universum är i ett tillstånd av expansion.
Einstein formaliserade denna teori 1915 efter att ha beslutat att utvidga sin teori om Särskild relativitet att införliva gravitation. I slutändan säger denna teori att gravitationskraften hos materia och energi direkt förändrar krökningen av rumstid runt den. Eller som den berömda teoretiska fysikern John Wheeler sammanfattade det, 'rymdtiden talar om hur man rör sig; materien talar om för rum-tiden hur den ska krökas.'
Illustration av djupet med vilket Hubble avbildade galaxer i tidigare Deep Field-initiativ, i enheter från universums tidsålder. Kredit: NASA och A. Feild (STScI)
År 1917 visade teoretiska beräkningar baserade på Einsteins fältekvationer att universum måste vara i antingen ett tillstånd av expansion eller sammandragning. År 1929, observationer gjorda av George Lemaitre (som föreslog Big Bang Theory) och Edwin Hubble (med hjälp av 100-tums Hooker-teleskop vid Mount Wilson Observatory ) visade att det senare var fallet.
Baserat på dessa uppenbarelser började en debatt på 1930-talet om universums möjliga ursprung och sanna natur. Å ena sidan fanns det de som hävdade att universum var ändligt i ålder och utvecklades över tiden genom kylning, expansion och bildandet av strukturer på grund av gravitationskollaps. Denna teori kallades satiriskt 'Big Bang' av Fred Hoyle, och namnet fastnade.
Samtidigt höll majoriteten av dåtidens astronomer fast vid teorin att medan det observerbara universum expanderar, förändras det inte desto mindre när det gäller materiens densitet. Kort sagt, förespråkare för denna teori hävdade att universum inte har någon början, inget slut, och att materia kontinuerligt skapas över tiden - med en hastighet av en väteatom per kubikmeter per 100 miljarder år.
Denna teori utvidgade också Einsteins kosmologiska princip, aka. Kosmologisk konstant (CC), som Einstein föreslog 1931. Enligt Einstein var denna kraft ansvarig för att 'hålla tillbaka tyngdkraften' och säkerställa att universum förblev stabilt, homogent och isotropiskt vad gäller dess storskaliga struktur.
Genom att modifiera denna princip och utöka den, hävdade medlemmar av Steady State-tänkandet att det var den kontinuerliga skapandet av materia som säkerställde att universums struktur förblev densamma över tiden. Detta är annars känt som den perfekta kosmologiska principen, som frigör stabila tillståndshypotesen.
Steady State-teorin blev allmänt känd 1948 med publiceringen av två artiklar: ' En ny modell för ett expanderande universum ” av den engelske astronomen Fred Hoyle, och ” Steady-State-teorin och det expanderande universum ” av det brittisk-österrikiska astrofysiker- och kosmologteamet av Hermann Bondi och Thomas Gold.
Nyckelargument och förutsägelser
Argument till förmån för Steady State-hypotesen inkluderar det uppenbara tidsskalaproblemet som uppstår av den observerade hastigheten av kosmisk expansion (aka. Hubble Constant eller Hubble-Lemaitre-lagen). Baserat på Hubbles observationer av närliggande galaxer, beräknade han att universum expanderade med en hastighet som ökade systematiskt med avståndet.
Detta gav upphov till idén att universum började expandera från en mycket mindre volym av rymden. I avsaknad av acceleration/retardation – 500 km/s per Megaparsec (310 mps per Mpc) – innebar Hubble-konstanten att all materia har expanderat i cirka 2 miljarder år – vilket också skulle vara universums övre tidsålder.
Vilken materia och antimateria kan se ut som att förinta varandra. Kredit: NASA/CXC/M. Weiss
Detta fynd motsägs av radioaktiv datering, där forskare mätte sönderfallshastigheten för avlagringar av Uranium-238 och Plutonium-205 i bergprover. Med denna metod uppskattades de äldsta stenproverna (som var från månen) vara 4,6 miljarder år gamla. En annan inkongruens uppstod som ett resultat av stjärnutvecklingsteorin.
Kort sagt, hastigheten med vilken väte smälts samman i stjärnornas inre (för att skapa helium) ger en övre åldersuppskattning på 10 miljarder år för klothopar – de äldsta stjärnorna i galaxen. Dessutom kunde ingen utveckling på stora avstånd ha inträffat i denna modell – vilket skulle innebära att radiokällor – aka. kvasarer eller Aktiva galaktiska kärnor (AGN) – skulle vara enhetlig i hela universum.
Det skulle också innebära att Hubble-konstanten (som beräknat i början av 1900-talet) skulle förbli konstant. Steady-State-modellen förutspådde också att det stadiga skapandet av antimateria och neutroner skulle resultera i regelbundna förintelser och neutronsönderfall, vilket skulle leda till existensen av en gammastrålningsbakgrund och het, röntgenavgivande gas i hela universum.
Big Bang For The Win
Men pågående observationer under 1950- och 1960-talen ledde stadigt till en uppbyggnad av bevis mot Steady State-hypotesen. Dessa inkluderade upptäckten av ljusstarka radiokällor (aka. kvasarer och radiogalaxer) som upptäcktes i avlägsna galaxer men inte de närmast oss – vilket tyder på att många galaxer blev 'radiotysta' med tiden.
Den här enstaka helhimmelbilden, fångad av Planck-teleskopet, tog samtidigt två ögonblicksbilder av CMB. Kredit: ESA
År 1961, undersökningar av radiokällor gjorde det möjligt för statistiska analyser att göras, vilket uteslöt möjligheten att ljusa radiogalaxer var jämnt fördelade. Ett annat stort argument mot Steady State-hypotesen var upptäckten av Kosmisk mikrovågsugn bakgrund (CMB) 1964, vilket Big Bang-modellen förutspådde.
I kombination med frånvaron av en gammastrålningsbakgrund och genomträngande moln av röntgengas, blev Big Bang-modellen allmänt accepterad på 1960-talet. På 1990-talet, observationer med Rymdteleskopet Hubble och andra observatorier upptäckte också att den kosmiska expansionen inte har varit konsekvent över tiden. Under de senaste tre miljarderna åren har det faktiskt accelererat.
Detta har lett till flera förbättringar av Hubble-konstanten. Baserat på data som samlats in av Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), är hastigheten för den kosmiska expansionen för närvarande uppskattad att vara mellan 70 och 73,8 km/s per Mpc (43,5 till 46 mps per Mpc) med en felmarginal på 3 %. Dessa värden är mycket mer överensstämmande med observationer som placerar universums ålder till cirka 13,8 miljarder år.
Moderna varianter
Med början 1993 började Fred Hoyle och astrofysikerna Geoffrey Burbidge och Jayant V. Narlikar publicera en serie studier där de föreslog en ny version av Steady State Hypothesis. Känd som Quasi-Steady-State-hypotes (QSS), försökte denna variation förklara kosmologiska fenomen som den gamla teorin inte tog hänsyn till.
Denna modell antyder att universum är resultatet av skapelsefickor (aka. mini-bangs) som händer under loppet av många miljarder år. Denna modell modifierades som svar på data som visade hur universums expansionshastighet accelererar. Trots dessa modifieringar anser det astronomiska samfundet fortfarande att Big Bang är den bästa modellen för att förklara alla observerbara fenomen.
Idag är denna modell känd som Lambda-Cold Dark Matter (LCDM)-modellen, som inkluderar aktuella teorier om Dark Matter och Dark Energy med Big Bang-teorin. Trots det förespråkas fortfarande Steady State-hypotesen (och varianter därav) av vissa astrofysiker och kosmologer. Och det är inte det enda alternativet till Big Bang Cosmology...
Vi har skrivit många artiklar om kosmologi här på Universe Today. Här är Vad är universum , Big Bang Theory: Utvecklingen av vårt universum , Vad är teorin om oscillerande universum? , Vad är The Big Rip? , Vad är multiversteorin? , Vad är supersträngteori? , Vad är den kosmiska mikrovågsbakgrunden? , The Big Crunch: The End of Our Universum? , Vad är Big Freeze? , och Kosmologi 101: The End .
Astronomy Cast också några intressanta avsnitt i ämnet. Här är Avsnitt 5: The Big Bang and Cosmic Microwave Background , Avsnitt 6: More Evidence for the Big Bang , Avsnitt 79: How Big is the Universe? , Avsnitt 187: History of Astronomy, del 5: 1900-talet , och Avsnitt 499: Vad är den föreslagna Hubble-Lemaitre-lagen? .
Källor:
- Wikipedia – Kosmologisk princip
- Wikipedia – Steady-State Hypothesis
- Idéer om kosmologi – Big Bang eller Steady State?
- Encyclopedia Britannica – Steady-State Theory
- UBC Astronomy and Astrophysics – Fundamental Issues in Cosmology
- ' En ny modell för det expanderande universum ' Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, nr. 372 (1948)
- ' Quasi-Steady-State och relaterade kosmologiska modeller: En historisk översikt , 'Kragh. H.(2012)
- ' Steady-State Theory of the Expanding Universum 'MNRAS, vol. 108, sid. 252 (1948)
- ' Einsteins steady state-teori: en övergiven modell av kosmos ,” The European Physical Journal H, vol. 39, sid. 353-367 (2014)
- ' En kvasi-steady state kosmologisk modell med skapandet av materia 'Hoyle, F.; Burbidge, G.; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, sid. 437 (1993)