Wissenschaft
Jedes Jahr gewinnen wir ein etwas besseres Verständnis für die Natur des Universums und unseren Platz darin.
Für die meisten von uns ist die Kartentechnologie, die wir täglich verwenden, auf am Armaturenbrett montierte GPS-Geräte beschränkt.
Keine Respektlosigkeit - ich meine, vor 10 Jahren waren wir auf gedruckte Straßenatlanten angewiesen, um dahin zu gelangen, wohin wir wollten. Auf dem neuesten Stand bedeutete, in Mapquest eine Route zu finden und die Seiten dann auszudrucken.
Aber während Sie dies lesen, arbeiten Hunderte von Wissenschaftlerteams mit weitaus komplexeren Technologien, um alles von den Weiten des Universums bis zu den kleinsten Teilchen im Universum abzubilden. Noch vor wenigen Wochen haben Astronomen, die das noch im Bau befindliche ALMA-Observatorium (siehe Abbildung oben) nutzten, eine wichtige Entdeckung über das nahe gelegene Fomalhaut-System gemacht - im Grunde genommen enthält es wahrscheinlich einen Haufen erdgroßer Planeten.
Was folgt, ist eine Auflistung ähnlich bedeutsamer Entdeckungen über den Aufbau und das Layout unseres Universums sowie Beschreibungen der neuesten Technologien in der Astronomie, Teilchenphysik und Meereswissenschaften, die sie ermöglicht haben.
1. Die nächste Generation: James Webb Space Telescope
Das Hubble- und das Spitzer-Weltraumteleskop rocken es seit 22 bzw. 9 Jahren. Sie sind dafür verantwortlich, die unglaublichen Weltraumbilder zu produzieren, mit denen wir alle vertraut sind, von denen einige unten aufgeführt sind. Aber Spitzer hat bereits seine Reserven an flüssigem Helium ausgeschöpft, die für seine Primäroperationen benötigt werden, und Hubble wird voraussichtlich nur noch zwei Jahre halten. James Webb ist ihr Nachfolger.
Das James Webb-Weltraumteleskop wird in 17 Ländern in verschiedenen Bauabschnitten gebaut. Die Fertigstellung ist für 2018 geplant. Es verfügt über 18 vergoldete hexagonale Spiegel, die das Licht von weit entfernten Zielquellen fokussieren und hochauflösendes sichtbares und infrarotes Licht erfassen bilder. Theoretisch bedeutet dies, dass es die entferntesten Objekte im Universum sehen kann, wie die ersten Sterne und Galaxien, die sich nach dem Urknall bilden.
Im Bild oben sieht der NASA-Ingenieur Ernie Wright, wie die ersten sechs flugbereiten James Webb Space Telescope-Primärspiegelsegmente vorbereitet werden, um mit den letzten kryogenen Tests im Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, AL, zu beginnen. Die Funktionalität muss unter Bedingungen getestet werden Ähnlich wie in James Webbs Zielumlaufbahn, 930.000 Meilen in gerader Höhe.
2. Kartierung unserer Galaxie
In gewisser Weise ist die Milchstraße die Galaxie, die wir am besten kennen. Alle seine Bestandteile sind viel, viel näher an der Erde als ihre Gegenstücke in fremden Galaxien. Aber wenn es darum geht, die Gesamtform und Zusammensetzung der Milchstraße zu verstehen, war die Aufgabe immer schwierig - gerade weil wir mittendrin sind.
Noch 1785 zählten die Astronomen dazu einzelne Sterne von der Erde aus und zeichneten sie auf eine grobe galaktische Karte. Die eigentlichen Durchbrüche ergaben sich später aus der Beobachtung anderer Galaxien und der Erkenntnis, dass sie größtenteils einem von drei Hauptstrukturtypen entsprechen. Es wurde festgestellt, dass die Milchstraße spiralförmig war und ein dicker Balken die zentrale Ausbuchtung halbierte.
Die Einführung von Radioteleskopen Mitte des 20. Jahrhunderts ermöglichte es den Astronomen, den Wasserstoffausstoß verschiedener Bereiche der Galaxie zu messen, was zu einer genaueren Kartierung der Spiralarme und des Gitterzentrums führte. Wie in der Grafik rechts gezeigt, befindet sich unsere Sonne im Orion-Arm. Wenn Sie nachts die Milchstraße sehen, blicken Sie direkt nach innen durch die Schützen-, Scutum-Crux- und Norma-Arme in Richtung des dichten galaktischen Kerns.
3. Schauen Sie sich das Zentrum der Milchstraße genauer an
Zeitgenössische Enthüllungen über unsere Galaxie stammen von den Hubble- und Spitzer-Weltraumteleskopen. Das oben gezeigte Infrarot-Komposit kombiniert Bilder von jeder Technologie, um das detaillierteste Bild zu erstellen, das jemals von dieser Region des Weltraums aufgenommen wurde. Während die Abmessungen des hier eingebetteten Fotos 900 × 349 Pixel betragen, repräsentieren sie eine Fläche von 300 × 115 Lichtjahren.
Es war bekannt, dass das galaktische Zentrum drei große Haufen massereicher Sterne umfasst, aber dieses Bild zeigt deutlich gigantischere Individuen, die weit über die Grenzen der Haufen verteilt sind. Es ist auch allgemein anerkannt, dass sich irgendwo in dieser zentralen Region ein supermassives Schwarzes Loch versteckt. Hubble benötigte 144 Erdumlaufbahnen und 2300 Aufnahmen, um das hochauflösende Mosaik darüber zu erzeugen.
4. Hubble-Weltraumteleskop
Dies ist die Technologie, die für all die hübschen Weltraumbilder verantwortlich ist. Ein bisschen sieht aus wie eine Blechdose mit etwas Folie um ein Ende gewickelt. Oder ein wirklich teurer Burrito.
Der Bau von Hubble dauerte elf Jahre und wurde 1990 gestartet. Bereits wenige Wochen nach Beginn seiner Mission stellte sich heraus, dass die Abmessungen des Primärspiegels des Teleskops um 2, 2 Mikrometer abweichen. Glücklicherweise wurde Hubble für die Wartung im Orbit entwickelt. 1993 installierte die Besatzung der Endeavour eine Korrekturoptik, die das Instrument auf den ursprünglichen Designstandard brachte. Das Foto oben wurde während einer endgültigen geplanten Wartungsmission im Jahr 2009 aufgenommen.
Das Hubble-Weltraumteleskop ist zweifelsohne die bedeutendste Kartierungstechnologie, die jemals zum Einsatz gekommen ist.
5. Ultra Deep gehen
Zu den wichtigsten Errungenschaften von Hubble gehört diese Umfrage - eine Zusammenstellung von 800 Aufnahmen über 11 Tage, die auf eine ansonsten „leere“Himmelsscheibe im Sternbild Fornax gerichtet sind.
Jeder der Lichtpunkte, die in der Hubble Ultra Deep Field-Aufnahme sichtbar sind, ist eine sehr, sehr weit entfernte Galaxie. Ihr Licht, wie im Bild rechts zu sehen, wanderte 13 Milliarden Jahre lang, bevor es auf Hubbles Sensoren auftrat und dieses Bild erzeugte. Das heißt, wenn Sie dies betrachten, beobachten Sie das Universum, wie es nur 400-800 Millionen Jahre nach dem Urknall war.
Es gibt 10.000 Galaxien im Bild. Es zeigt eine Himmelsfläche, die nur 1/10 des Vollmonddurchmessers von der Erde aus gesehen beträgt. Sie müssen dafür nicht nachrechnen, um den Verstand zu sprengen.
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6. Messung der Expansionsrate des Universums
Hubble hat uns nicht nur das tiefste Bild des Universums gegeben, das jemals aufgenommen wurde, und Astronomen dabei geholfen, das Alter des Universums genauer zu bestimmen. Es hat auch eine Schlüsselrolle bei der Messung der Expansionsrate des Universums gespielt.
Seit der Arbeit von Edwin Hubble Ende der 1920er Jahre wissen wir, dass sich das Universum ausdehnt - die Entfernung zwischen den einzelnen Objekten im Universum nimmt zu. Die Steigerungsrate war jedoch bis vor kurzem umstritten. In den letzten Jahren haben Hubble-Teleskopdaten von astronomischen Objekten wie Supernovae (wie der oben abgebildete Krebsnebel, die Überreste einer Sternexplosion aus dem Jahr 1054 n. Chr.) Zu dramatisch genaueren Messungen der Hubble-Konstante, der mathematischen Konstante, geführt Darstellung der Expansionsrate.
Mit anderen Worten, Daten von Hubble erstellen detailliertere Karten unseres Universums und helfen uns zu verstehen, wie sich diese Karten ständig ändern.
7. Sternwarten auf Hawaii
Auf dem Gipfel von Mauna Kea auf der Big Island von Hawaii, auf einer Höhe von 13.796 Fuß, befindet sich diese Sammlung von Observatorien in internationalem Besitz. Es ist ein erstklassiger Ort für Sternbeobachtungen, da die Luftfeuchtigkeit in der Gegend im Allgemeinen niedrig ist und der dort vorhandene Wasserdampf meist in Wolken unterhalb des Gipfels hängt. Ein Besuch der Einrichtung vor Sonnenaufgang ist zu einer beliebten touristischen Aktivität geworden.
Insgesamt gibt es 13 Teleskope, darunter das Keck-Paar, zwei der größten optischen Teleskope der Welt. Die Forscher nutzen die Observatorien, um alles aufzuzeichnen, von neu entdeckten Satelliten in der Umlaufbahn um den Jupiter über Merkmale unserer Sonne bis hin zu Galaxien „aus dem dunklen Zeitalter“. Sie haben auch zoombare Weitfeldbilder des Himmels erstellt.
8. Studieren eines galaktischen Nachbarn
Wie bei der Milchstraße wird unser Verständnis für andere nahe gelegene Galaxien durch neue Technologien ständig erweitert. Links abgebildet ist eine kleine Region der Large Magellanic Cloud (LMC), der drittnächsten Galaxie, die wir in einer Entfernung von etwa 160.000 Lichtjahren besitzen.
Konkret wird hier der Tarantula-Nebel vorgestellt. Dies ist die größte und aktivste Region in unserer galaktischen Nachbarschaft, die unglaublich hell und für Astronomen von großem Interesse ist, wenn sie untersuchen, wie Sterne entstehen, sich entwickeln und letztendlich sterben. Einige der abgebildeten hellblauen Sterne sind die größten, die je aufgezeichnet wurden, mit Massen, die über 100-mal höher sind als die der Sonne.
Die LMC war für frühe Astronomen als ein vage heller Dunst sichtbar - daher die „Cloud“-Terminologie. Erst mit dem Hubble konnten wir enge Haufen wie den Tarantula-Nebel als einzelne Sterne auflösen und genau sehen, was in dieser phänomenreichen Galaxie vor sich ging.
9. Kosmische Strahlung und die Entwicklung des Universums
Die meisten Universums-Mappings finden nicht im sichtbaren Licht statt und führen nicht unbedingt zu attraktiven oder zugänglichen Bildern.
Der 2009 von der ESA ins Leben gerufene Planck-Satellit misst den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) - eine Art Strahlung, die das Universum durchdringt und vermutlich an die Ereignisse während und kurz nach dem Urknall gebunden ist. Mit CMB-Messungen des gesamten Himmels hat Planck das Ziel, die großen Fragen zu beantworten: "Wie hat das Universum angefangen, wie hat es sich zu dem Zustand entwickelt, den wir heute beobachten, und wie wird es sich in Zukunft entwickeln?"
10. Die Suche nach erdähnlichen Planeten
Die Kepler-Mission der NASA, die das umlaufende Kepler-Teleskop einsetzt, hat den erklärten Zweck, erdähnliche Planeten in der Nähe zu entdecken und so eine genauere Schätzung darüber abzugeben, wie viele solche Planeten in der Milchstraße existieren können.
Um „erdähnlich“zu sein, muss ein Planet eine ähnliche Größe wie wir haben - große Planeten sind offensichtlich leichter zu erkennen, bestehen jedoch aus Gas (wie Saturn und Jupiter) im Gegensatz zu festen Materialien. Darüber hinaus und vor allem muss der Planet innerhalb der „bewohnbaren Zone“seines Sterns mit Oberflächentemperaturen kreisen, die das Vorhandensein von flüssigem Wasser ermöglichen würden.
Ende 2011 wurde die Bestätigung des ersten solchen Planeten, Kepler-22b, bekannt gegeben, und die Mission hat bereits über 2.000 andere Kandidatenplaneten identifiziert. Wissenschaftler glauben jetzt, dass es innerhalb von 30 Lichtjahren wahrscheinlich 100 erdähnliche Planeten gibt.
11. Eine Roadmap des lokalen Universums
Eine Karte von Galaxien in einer Entfernung von 380 Millionen Lichtjahren. Bild: Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik
Zehn Jahre Himmelsabtastung mit bodengestützten Teleskopen der 2MASS Redshift Survey (2MRS) führten im Jahr 2010 zu der vollständigsten Karte unseres bisherigen lokalen Universums. Das 3D-Bild oben zeigt 43.000 Galaxien, deren Entfernung von uns durch die Farben in der Taste unten rechts dargestellt wird.
Es ist ein wenig schwierig, die 3D-Fähigkeit hier zum Anschauen zu bringen. Von Gizmodo: „Die 3D-Koordinaten jeder Galaxie wurden aufgezeichnet, damit aus den Rohdaten möglicherweise ein realistisches 3D-Modell des Universums erstellt werden kann. Wenn Sie eine holographische Technologie einsetzen, haben Sie etwas, das direkt von Star Trek stammt. “
12. Verknüpfen einzelner Teleskope zu leistungsstarken Arrays
Die 27 separaten Radioantennen des Very Large Array in New Mexico, die jeweils von einer Schüssel mit einem Durchmesser von 22 Metern umgeben sind, arbeiten zusammen, um effektiv eine massive Observatoriumantenne mit einem Durchmesser von 35 Kilometern zu erzeugen. Der VLA ist seit 1980 voll funktionsfähig. Durch ein bedeutendes Hardware-Upgrade, das im letzten Jahr abgeschlossen wurde, wurden die technischen Kapazitäten um den Faktor 8.000 erhöht. Die Einrichtung wurde umbenannt, um dieser signifikanten Verbesserung Rechnung zu tragen (der neue Name ist Karl G. Jansky Very Large Array).
Im Laufe der Jahre hat die VLA hochentfernte Quasare und Pulsare kartiert, schwarze Löcher und Planetensysteme untersucht und die Bewegung von Wasserstoffgas im Zentrum unserer Galaxie verfolgt. Es ist nicht an der Suche nach außerirdischem Leben beteiligt - unabhängig davon, was Jodie Foster in Contact getan hat.
13. Beweise für die Existenz dunkler Materie
Aktuelle Theorien besagen, dass mehr als 80% der Materie im Universum nicht mit dem übereinstimmt, mit dem wir jeden Tag interagieren oder das wir beobachten. Diese allgegenwärtige Materie ist „dunkel“und kann von keiner der in dieser Liste aufgeführten Technologien direkt beobachtet werden.
Stattdessen müssen Astronomen die Auswirkungen dunkler Materie auf Galaxien und andere beobachtbare Phänomene messen. Ein solcher Effekt wird Gravitationslinseneffekt genannt, der auftritt, wenn das Licht entfernter Objekte durch die Schwerkraft dieses Objekts um ein massives Objekt (in diesem Fall eine große Menge dunkler Materie) gebogen wird und auf der Erde so aussieht, als wäre es durch ein gebogenes Stück Glas gehen.
Dies ist, was auf dem Bild von Galaxy Cluster Abell 1689 auf der rechten Seite passiert. Unsere Sicht auf diese Galaxien wird durch die im Cluster vorhandene dunkle Materie (dargestellt als violettes Leuchten) verzerrt.
Mithilfe solcher Bilder von Hubble und anderen Quellen und beim Vergleich des Linsengrades mit dem normalen Erscheinungsbild der Galaxien sind Astronomen dabei, eine 3D-Karte der dunklen Materie des Universums zu erstellen.
14. Näher zu Hause: Kartierung des Meeresbodens
Während eine beeindruckende Reihe von Technologien nach oben gerichtet ist, um unser Verständnis des Universums darüber hinaus zu fördern, wird ebenso intensiv geforscht, um die Lücken in unserem Wissen über diesen Planeten zu schließen.
Es sind nur wenige Jahrzehnte vergangen, bis Wissenschaftler in der Lage waren, genaue Karten des Meeresbodens und der Vielfalt der dort gefundenen Merkmale zu erstellen, angefangen bei der Verwendung von militärisch entwickeltem Sonar nach dem Zweiten Weltkrieg. Heutzutage wird traditionelles Sonar in Verbindung mit anderen Techniken wie der magnetischen Kartierung eingesetzt.
Dies ist eine der Fähigkeiten des autonomen Unterwasserfahrzeugs Sentry (AUV). Während frühere magnetische Vermessungsinstrumente auf Oberflächenhöhe hinter Schiffen geschleppt wurden, ist Sentry für einen Betrieb in 100 m Höhe über dem Meeresboden in Tiefen von bis zu 5 km ausgelegt. Diese Nähe erzeugt in Kombination mit seinem hochempfindlichen Magnetometer Karten des Meeresbodens mit beispiellosen Details.
Sentry wurde verwendet, um potenzielle Standorte für ein Unterwasserobservatorium vor der Küste des Bundesstaates Washington zu kartieren. Seine Umweltsensoren wurden auch bei Untersuchungen der Ölpest Deepwater Horizon eingesetzt.
15. Tauchen auf den Grund der Welt
Deepsea Challenger. Foto: Mark Thiessen / National Geographic
Am 26. März schrieb der Filmregisseur James Cameron Geschichte, indem er als erster Einzelspieler in Challenger Deep tauchte, dem entlegensten Gebiet des Marianengrabens und dem tiefsten Ort der Erde (sieben Meilen geradeaus).
Cameron hat es in seinem eigenen Tiefseetaucher gemacht, dem Deepsea Challenger, der in den letzten acht Jahren unter Geheimhaltung gebaut wurde. Während des siebenstündigen Tauchgangs habe er angeblich nicht viel gesehen, doch sein Team sei einige Tage später ohne ihn zurückgekehrt und habe das Bild rechts aufgenommen, das den Deepsea Challenger zeigt und von dem unbemannten Begleiter „Deep Sea Lander“aufgenommen wurde.”, Dessen Köder wahrscheinlich für die Anziehung der Kreatur verantwortlich ist, die auf dem Bild zu sehen ist.
Schauen Sie sich diese Grafik an, um sich einen Überblick darüber zu verschaffen, wie tief wir sprechen. Mit 35.756 Fuß ist Challenger Deep tiefer als Everest, und es bleibt eine Meile übrig. Das ist viel weiter als die Tiefe, in der „wenn Sie ein Loch in einen unter Druck stehenden SCUBA-Tank schießen, anstatt Luft herauszuströmen, strömt Wasser hinein“die Ruhestätte der Titanic, die Cameron 1995 besuchte.
Weitere Projekte sind im Gange, um Schiffe zu entwerfen und zu bauen, die bis zum Grund des Ozeans fahren können, insbesondere DeepFlight Challenger von Virgin Group. Vielleicht ist die Möglichkeit eines Pauschalangebots für einen suborbitalen Flug mit Virgin Galactic und einer Marianenreise mit Virgin Oceanic gar nicht so weit.
16. Woraus alles besteht
Von Karten mit unendlich großen Maßstäben bis zu unendlich kleinen. Der 2008 als größter Teilchenbeschleuniger der Welt online gestellte Large Hadron Collider versucht, die Existenz des hypothetischen, aber noch nicht beobachteten Higgs-Boson-Teilchens zu beweisen.
Es ist alles miteinander verbunden. Dunkle Materie, die 83% des Universums ausmacht, besteht aus einem subatomaren Teilchen, über das kaum eine Theorie aufgestellt werden kann. Ein Elektron in der Umlaufbahn um ein Atom in Ihrem Körper könnte sich gleichzeitig in der Umlaufbahn um das Zentrum der Galaxie befinden.
Wenn man sich diese Liste ansieht und darüber nachdenkt, wie weit die Technologie selbst in den letzten 10 Jahren fortgeschritten ist, ist es unmöglich, die Enthüllungen der nächsten 10 Jahre vorherzusagen.
