Büyük patlama teorisinin tarihi

Büyük Patlama modeline göre evren son derece yoğun ve sıcak bir halden genişledi ve genişlemeye devam ediyor. Bu şema düz bir evrenin bir bölümünün genişlemesini gösteren bir modeldir.

Büyük patlama teorisi'nin tarihi, büyük patlamanın gözlemlenmesi ve teorik değerlendirmesinin yapılmasıyla başladı. Kozmolojideki teorik çalışmaların çoğu artık temel Büyük Patlama modeline yapılan iyileştirmeleri içermektedir. Teorinin kendisi aslında Belçikalı Katolik rahip, matematikçi, astronom ve fizik profesörü Georges Lemaître tarafından resmîleştirilmiştir.

Felsefe ve ortaçağ

Orta Çağ felsefesinde, evrenin sonlu veya sonsuz bir geçmişi olup olmadığı konusunda çok fazla tartışma vardı. Aristoteles'in felsefesi, evrenin sonsuz bir geçmişe sahip olduğunu kabul etti ve bu, Aristoteles'in ebedilik anlayışını İbrahim'in yaratılış görüşü ile uzlaştıramayan Orta Çağ Yahudi ve İslam filozofları için sorunlara neden oldu. Sonuç olarak, diğerlerinin yanı sıra John Philoponus, Kindi, Saadia Gaon, Gazzali ve Immanuel Kant tarafından evrenin sınırlı bir geçmişe sahip olduğuna dair çeşitli mantıksal argümanlar geliştirilmiştir.

İngiliz ilahiyatçı Robert Grosseteste, 1225 tarihli De Luce (Işık Üzerine) adlı incelemesinde maddenin ve kozmosun doğasını araştırdı. Evrenin bir patlamada doğuşunu ve maddenin kristalleşmesini, Dünya'nın etrafındaki bir dizi iç içe küre içinde yıldızlar ve gezegenler sayesinde olduğunu tanımladı. De Luce, tek bir fiziksel yasa kümesi kullanarak gökleri ve dünyayı tanımlamaya yönelik ilk girişimdir.

1610'da Johannes Kepler, sonlu bir evreni tartışmak için karanlık bir gecede gökyüzünü kullandı. Yetmiş yedi yıl sonra, Isaac Newton evrendeki büyük ölçekli hareketi tanımladı.

Döngüsel bir şekilde genişleyen ve büzülen bir evrenin tanımı ilk olarak Erasmus Darwin tarafından 1791'de yayınlanan bir şiirde ortaya konmuştur. Edgar Allan Poe, Eureka: A Prose Poem başlıklı 1848 makalesinde benzer bir döngüsel sistem yayınladı. Bilimsel bir çalışma olmasa da Poe, metafizik ilkelerden yola çıkarken çağdaş fiziksel ve zihinsel bilgilerle evreni açıklamaya çalıştı. Bilim camiası tarafından görmezden gelinen ve edebiyat eleştirmenleri tarafından sıklıkla yanlış anlaşılan bu kitabın bilimsel sonuçları son zamanlarda yeniden değerlendiriliyor.

Poe'ya göre, maddenin ilk hali tek bir "İlkel Parçacık" idi. İtici bir güç olarak kendini gösteren "İlahi İrade", İlkel Parçacığı atomlara böldü. Atomlar, itici kuvvet durana kadar ve çekim kuvveti bir tepki olarak ortaya çıkana kadar uzay boyunca eşit olarak yayılır. Sonra madde bir araya toplanmaya başlar. Yıldızları ve yıldız sistemlerini oluşturur, bu arada maddi evren yerçekimi tarafından tekrar bir araya getirilir. Sonunda çöker ve sona erer. Eureka'nın bu bölümü, göreli modellerle bir dizi özelliği paylaşan Newton'un evrimleşen bir evreni tanımlar ve bu nedenle Poe, modern kozmolojinin bazı temalarını öngörmektedir.

20. yüzyılın başlarındaki bilimsel gelişmeler

Gözlemsel olarak, 1910'larda Vesto Slipher ve daha sonra Carl Wilhelm Wirtz, sarmal bulutsuların çoğunun (şimdi doğru bir şekilde sarmal gökadalar olarak adlandırılıyor) Dünya'dan uzaklaştığını belirledi. Slipher, gezegenlerin dönme periyotlarını ve gezegen atmosferlerinin bileşimini araştırmak için spektroskopi kullandı ve galaksilerin radyal hızlarını ilk gözlemleyen kişi oldu. Wirtz, bulutsuların sistematik bir şekilde kırmızıya kaymasını gözlemledi. Bu, evrenin aşağı yukarı yıldızlar ve bulutsularla dolu olduğu gerekçesini kozmoloji açısından yorumlanması zordu. Kozmolojik çıkarımların veya sözde bulutsuların aslında kendi Samanyolumuzun dışındaki galaksiler olduğunun farkında değillerdi.

On yılda, Albert Einstein'ın genel görelilik teorisinin, Big Bang'in teorik temellerinde açıklanan kozmolojinin temel varsayımları göz önüne alındığında, hiçbir statik kozmolojik çözümü kabul etmediği gözlemlendi. Evren, genişleyen veya küçülen bir metrik tensör tarafından tanımlandı. Genel teorinin alan denklemlerinin bir değerlendirmesinden gelen bu sonuç, Einstein'ın kendisini genel teorinin alan denklemlerinin formülasyonunun hatalı olabileceğini düşünmeye sevk etti ve bunu bir kozmolojik sabit ekleyerek düzeltmeye çalıştı. Bu sabit, genel teorinin uzay-zaman tanımına, uzay/varoluş dokusu için değişmez bir metrik tensör geri yükleyecekti. Sabitleyici kozmolojik sabit olmadan genel göreliliği kozmolojiye ciddi şekilde uygulayan ilk kişi Alexander Friedmann'dı. Friedmann, 1922'de genel görelilik alan denklemlerinde genişleyen evren çözümünü türetti. Friedmann'ın 1924 tarihli makaleleri, Berlin tarafından yayınlanan "Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes" makalede sabit negatif eğriliğe sahip bir dünyanın olma olasılığı hakkında bilgiler içeriyordu. Friedmann'ın denklemleri Friedmann–Lemaitre–Robertson–Walker evreni olarak tanımlanmıştır.

1927'de Belçikalı Katolik rahip Georges Lemaitre, sarmal bulutsularda gözlenen kırmızıya kaymaları açıklamak için evren için genişleyen bir model önerdi ve Hubble yasasını hesapladı. Teorisini Einstein ve De Sitter'in çalışmalarına dayandırdı ve bağımsız olarak genişleyen bir evren için Friedmann'ın denklemlerini genişletti. Ayrıca, kırmızıya kaymalar sabit değildi, ancak bulutsuların kırmızıya kayma miktarı ile gözlemcilere olan uzaklıkları arasında kesin bir ilişki olduğu sonucuna götürecek şekilde değişiyordu.

1929'da Edwin Hubble, Lemaitre'nin teorisi için kapsamlı bir gözlemsel temel sağladı. Hubble'ın deneysel gözlemleri, Dünya'ya ve gözlemlenen diğer tüm cisimlere göre, galaksilerin, Dünya'dan ve birbirlerinden uzaklıklarıyla doğru orantılı hızlarda (gözlenen kırmızıya kaymalardan hesaplanan) her yöne doğru uzaklaştıklarını keşfetti. 1929'da Hubble ve Milton Humason, günümüzde Hubble yasası olarak bilinen, bir zamanlar kırmızıya kayma bir durgunluk hızı ölçüsü olarak yorumlandığında, Einstein'ın Genel Görelilik Denklemlerinin homojen, izotropik genişleyen uzayın izotropik doğası gereği genişleyenin uzaydaki cisimler değil, uzayın kendisi olduğunun doğrudan kanıtıydı. Genişleyen evren kavramına yol açan bu yorumdu. Yasa, herhangi iki galaksi arasındaki mesafe ne kadar büyükse, göreceli ayrılma hızlarının da o kadar büyük olduğunu belirtir. 1929'da Edwin Hubble, evrenin çoğunun genişlediğini ve diğer her şeyden uzaklaştığını keşfetti. Her şey her şeyden uzaklaşıyorsa, her şeyin bir zamanlar birbirine daha yakın olduğu düşünülmelidir. Mantıklı sonuç, bir noktada, tüm maddenin dışa doğru patlamadan önce birkaç milimetre ötedeki tek bir noktadan başladığıdır. O kadar sıcaktı ki, madde oluşmadan önce yüz binlerce yıl boyunca yalnızca ham enerjiden oluşuyordu. Evren milyarlarca yıl sonra hala genişlemeye devam ettiği için, her ne olduysa anlaşılmaz bir gücü serbest bırakmak zorunda kaldı. Bulduğu şeyi açıklamak için geliştirdiği teoriye Big Bang teorisi denir.

1931'de Lemaître, "hypothèse de l'atome primitif"inde (ilkel atomun hipotezi), evrenin ilkel atomun patlaması ile başladığını ileri sürdü. Daha sonra Büyük Patlama olarak adlandırıldı. Lemaître, önce kozmik ışınları olayın kalıntıları olarak aldı, ancak artık yerel galaksiden kaynaklandıkları biliniyor. Lemaitre, erken evrende yoğun ve sıcak bir fazın kalıntı radyasyonu olan kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun keşfini öğrenmek için ölümünden kısa bir süre öncesine kadar beklemek zorunda kaldı.

Big Bang teorisine karşı Durağan Durum Teorisi

Hubble Yasası, evrenin genişlediğini, yeterince büyük mesafe ölçeklerinde bakıldığında evrenin tercih edilen yönleri veya tercih edilen yerleri olmadığı şeklindeki kozmolojik ilkeyle çeliştiğini öne sürmüştü. Hubble'ın fikri, iki karşıt hipotezin önerilmesine izin verdi. Biri, George Gamow tarafından savunulan ve geliştirilen Lemaître'nin Big Bang'iydi. Diğer model, galaksiler birbirinden uzaklaştıkça yeni maddenin yaratılacağı Fred Hoyle'un Kararlı Durum teorisiydi. Bu modelde evren, zamanın herhangi bir noktasında kabaca aynıdır. Aslında, Lemaître'nin teorisinin adını, BBC Üçüncü Programında 28 Mart 1949'da, bir radyo yayını sırasında bunu 'büyük patlama' fikri olarak adlandıran Hoyle'du. Alternatif bir sabit durum kozmolojik modelini tercih eden Hoyle'un, bunun aşağılayıcı olmasını amaçladığı, ancak Hoyle'un bunu açıkça reddettiği ve bunun sadece iki model arasındaki farkı vurgulamayı amaçlayan çarpıcı bir görüntü olduğunu söylediği bildiriliyor. Hoyle, 1950'lerin başlarında, Evrenin Doğası başlıklı beş derslik bir dizinin parçası olarak, daha sonraki yayınlarda bu terimi tekrarladı. Her dersin metni yayından bir hafta sonra The Listener'da yayınlandı, "big bang" terimi ilk kez basılı olarak yayınlandı. Big Bang modeli lehine kanıtlar çoğaldıkça ve fikir birliği yaygınlaştıkça, Hoyle, biraz isteksiz de olsa, diğer bilim adamlarının daha sonra "Steady Bang" olarak adlandıracağı yeni bir kozmolojik model formüle ederek bunu kabul etti.

1950'den 1990'lara

Standart Büyük Patlama modelinin tahminlerinin deneysel ölçümlerle karşılaştırılması

1950'den 1965'e kadar, bu teorilere verilen destek, Big Bang teorisinin hidrojen ve helyumun hem oluşumunu hem de gözlemlenen bolluklarını açıklayabildiği gerçeğinden kaynaklanan hafif bir dengesizlik ile eşit olarak bölündü. Oysa Kararlı Durum Teorisi bunların nasıl olduğunu açıklayabilir olmuştu. Ancak neden gözlenen bolluklara sahip olmaları gerektiğini açıklayamamıştı. Ancak gözlemsel kanıtlar, evrenin sıcak, yoğun bir durumdan evrimleştiği fikrini desteklemeye başladı. Kuasarlar ve radyo galaksiler gibi nesnelerin yakındaki evrene göre uzak mesafelerde (dolayısıyla uzak geçmişte) çok daha yaygın olduğu gözlemlenirken, Durağan Durum Teorisi evrenin ortalama özelliklerinin zamanla değişmemesi gerektiğini öngördü. Ek olarak, 1964'te kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun keşfi, bu tahminin yalnızca niteliksel olmasına ve SPK'nın tam sıcaklığını tahmin edememesine rağmen, Durağan Durum Teorisi'nin ölüm çanı olarak kabul edildi. Bazı reformülasyonlardan sonra, Büyük Patlama, kozmosun kökeni ve evrimi konusunda en iyi teori olarak kabul edildi. 1960'ların sonlarından önce, birçok kozmolog, Friedmann'ın kozmolojik modelinin başlangıç zamanındaki sonsuz yoğun ve fiziksel paradoksal tekilliğin, sıcak yoğun duruma girmeden önce büzüşen ve tekrar genişlemeye başlayan bir evrene izin vererek önlenebileceğini düşündü. Bu, Richard Tolman'ın salınan evreni olarak resmîleştirildi. Altmışlı yıllarda Stephen Hawking ve diğerleri, bu fikrin uygulanamaz olduğunu ve tekilliğin Einstein'ın kütle çekimi tarafından açıklanan fiziğin temel bir özelliği olduğunu göstermişlerdir. Bu, kozmologların çoğunluğunun, şu anda genel görelilik fiziği tarafından tanımlanan evrenin sonlu bir yaşı olduğu fikrini kabul etmesine yol açtı. Bununla birlikte, bir kuantum kütleçekimi teorisinin olmaması nedeniyle, tekilliğin evrenin gerçek bir başlangıç noktası olup olmadığını veya rejimi yöneten fiziksel süreçlerin, evrenin karakter olarak fiilen ebedi olmasına neden olup olmadığını söylemenin bir yolu yoktur.

1970'ler ve 1980'ler boyunca, çoğu kozmolog Big Bang'i kabul etti, ancak SPK'da anizotropilerin keşfedilmemesi ve ara sıra bir kara cisim spektrumundan sapmalara işaret eden gözlemler de dahil olmak üzere birkaç soru işareti kaldı. Bu nedenle teori çok güçlü bir şekilde doğrulanmadı.

1990'dan itibaren

Big Bang kozmolojisinde büyük ilerlemeler, COBE, Hubble Uzay Teleskobu ve WMAP gibi büyük miktarda uydu verisi ile birlikte teleskop teknolojisindeki büyük ilerlemelerin bir sonucu olarak 1990'larda ve 21. yüzyılın başlarında yapıldı.

1990'da COBE uydusundan yapılan ölçümler, CMB'nin spektrumunun 2.725 K'lık bir kara cisimle çok yüksek hassasiyetle eşleştiğini gösterdi; sapmalar 100000'de 2 parçayı geçmez. Bu, daha önceki spektral sapma iddialarının yanlış olduğunu gösterdi ve bilinen başka hiçbir mekanizma bu kadar yüksek doğrulukta bir kara cisim üretemediğinden, esasen evrenin geçmişte sıcak ve yoğun olduğunu kanıtladı. 1992'de COBE'den yapılan diğer gözlemler, büyük ölçeklerde CMB'nin çok küçük anizotropilerini keşfetti. Yaklaşık olarak karanlık maddeli Big Bang modellerinden tahmin edildiği gibi keşfedildi. O andan itibaren, bir tür Big Bang içermeyen standart olmayan kozmoloji modelleri, ana akım astronomi dergilerinde çok nadir hale geldi.

1998'de uzak süpernova ölçümleri, evrenin genişlemesinin hızlandığını gösterdi ve bu, yer tabanlı CMB gözlemleri ve büyük gökada kırmızıya kayma araştırmaları dahil diğer gözlemlerle desteklendi. 1999-2000'de Boomerang ve Maxima balon kaynaklı CMB gözlemleri, evrenin geometrisinin düze yakın olduğunu gösterdi, ardından 2001'de 2dFGRS galaksi kırmızıya kayma araştırması, ortalama madde yoğunluğunu kritik yoğunluğun yüzde 25-30'u civarında tahmin etti.

2001'den 2010'a kadar, NASA'nın WMAP uzay aracı, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu aracılığıyla evrenin çok ayrıntılı fotoğraflarını çekti. Görüntüler, evrenin 13,7 milyar yaşında olduğunu (yüzde bir hata içinde) ve Lambda-CDM modelinin ve enflasyon teorisinin doğru olduğunu gösterecek şekilde yorumlanabilir. Başka hiçbir kozmolojik teori, erken evrendeki element bolluklarının oranından kozmik mikrodalga arka planının yapısına, erken evrende gözlemlenen daha yüksek aktif galaktik çekirdek bolluğuna ve gözlemlenen bu kadar geniş bir parametre aralığını henüz açıklayamaz.

2013 ve 2015'te, ESA'nın Planck uzay aracı, kozmik mikrodalga arka planının daha ayrıntılı görüntülerini yayınladı ve Lambda-CDM modeliyle tutarlılığı daha da yüksek hassasiyette gösterdi.

Kozmolojideki mevcut çalışmaların çoğu, Büyük Patlama bağlamında galaksilerin nasıl oluştuğunu anlamayı, Büyük Patlama'dan sonraki en erken zamanlarda neler olduğunu anlamayı ve gözlemleri temel teoriyle uzlaştırmayı içerir. Kozmologlar, Big Bang'in birçok parametresini yeni bir kesinlik düzeyine kadar hesaplamaya, karanlık enerjinin ve karanlık maddenin doğasına dair ipuçları sağlamayı umdukları daha ayrıntılı gözlemler yapmaya ve Genel Görelilik teorisini bu konuda test etmeye devam ediyor.