Dvakrát denně, sedm dní v týdnu, od února do listopadu za poslední čtyři roky, dva výzkumníci mají vrstvené sami s termální spodní prádlo a svrchní oblečení, fleece, flanel, dvakrát rukavice, dvojité ponožky, polstrované kombinézy a opuchlé červené parky, balzamovat sebe, dokud nebudou vypadat jako dvojče Michelin Muži. Pak krok mimo, obchodování teplo a moderní vymoženosti vědy stanice (stolní fotbal, fitness centrum, 24-hodinová bufet) na minus 100 stupňů Celsia jednotvárnou krajinu, plošší než Kansasu a jedním z nejchladnějších míst na planetě. Oni plahočit se ve tmě téměř kilometr, přes náhorní sněhu a ledu, dokud se rozpoznat, na pozadí více hvězd, než nějaké ruce-v-kapse dvorku pozorovatel nikdy neviděl, silueta obří disk South Pole Telescope, kde se připojí ke globální úsilí řešit možná největší záhadu ve vesmíru: z čeho je většina vyrobena.

po tisíce let náš druh studoval noční oblohu a přemýšlel, jestli tam není něco jiného. V loňském roce jsme oslavili 400. výročí odpovědi Galilea: Ano. Galileo trénoval nový nástroj, dalekohled na nebe a viděl objekty, které nikdo jiný nikdy neviděl: stovky hvězd, hory na Měsíci, satelity Jupitera. Od té doby jsme našli více než 400 planet kolem jiných hvězd, 100 miliard hvězd v naší galaxii, stovky miliard galaxií mimo naši vlastní, dokonce i slabé záření, které je ozvěnou Velkého Třesku.

nyní si vědci myslí, že i toto extravagantní sčítání vesmíru může být stejně zastaralé jako vesmír pěti planet, který Galileo zdědil po starověcích. Astronomové shromáždili důkazy, že to, co jsme vždy považovali za skutečný vesmír-já, ty, tento časopis, planety, hvězdy, galaxie, veškerá hmota ve vesmíru—představuje pouhá 4 procenta toho, co je ve skutečnosti venku. Zbytek nazývají, pro nedostatek lepšího slova, temný: 23 procent je něco, čemu říkají temná hmota, a 73 procent je něco ještě tajemnějšího, kterému říkají temná energie.

„máme kompletní soupis vesmíru,“ řekl Sean Carroll, kosmolog Kalifornského technologického institutu, “ a nedává to smysl.“

vědci mají nějaké představy o tom, co by mohla být temná hmota-exotické a stále hypotetické částice – ale sotva mají ponětí o temné energii. V roce 2003 uvedla Národní rada pro výzkum “ jaká je povaha temné energie?“jako jeden z nejnaléhavějších vědeckých problémů nadcházejících desetiletí. Vedoucí výboru, který zprávu napsal, kosmolog University of Chicago Michael s. Turner, jde dále a řadí temnou energii jako „nejhlubší tajemství v celé vědě.“

úsilí vyřešit zmobilizovala generace astronomů v přehodnocení fyziky a kosmologie soupeřit a možná předčí revoluce Galileo slavnostně otevřena na podzim večer v Padově. Vyrovnávají se s hlubokou ironií: je to samotný zrak, který nás oslepil téměř celému vesmíru. A uznání této slepoty nás zase inspirovalo k tomu, abychom se poprvé zeptali: Co je to vesmír, kterému říkáme domov?

Vědci dosáhli konsensu v roce 1970, který byl ve vesmíru víc, než se na první pohled. V počítačových simulací naší galaxie, Mléčné dráhy, teoretici zjistili, že centrum nebude držet—na základě toho, co můžeme vidět, naše galaxie nemá dostatek hmoty, aby vše na svém místě. Jak se otáčí, měl by se rozpadat, vylučovat hvězdy a plyn v každém směru. Buď spirální galaxie, jako je Mléčná dráha porušuje zákony gravitace, nebo to světlo z ní vycházející—z mračna plynu a nesčetné hvězdy—je nepřesné označení galaxy hmotnosti.

ale co když nějaká část hmoty galaxie nevyzařovala světlo? Pokud spirální galaxie obsahovaly dostatek takové záhadné hmoty, pak by se mohly řídit zákony gravitace. Astronomové nazvali neviditelnou hmotu “ temnou hmotou.“

„nikdo nám nikdy neřekl, že veškerá hmota vyzařuje,“ řekla Věra Rubinová, astronomka, jejíž pozorování rotace galaxií poskytla důkazy pro temnou hmotu. „Jen jsme předpokládali, že ano.“

úsilí pochopit temnou hmotu definovanými mnohem astronomie pro příští dvě desetiletí. Astronomové možná nevědí, co je temná hmota, ale odvození její přítomnosti jim umožnilo novým způsobem sledovat věčnou otázku: Jaký je osud vesmíru?

už věděli, že vesmír se rozšiřuje. V roce 1929 astronom Edwin Hubble zjistil, že vzdálené galaxie se od nás vzdalují a že čím dál se dostali, tím rychleji se zdálo, že ustupují.

to byl radikální nápad. Místo majestátního, věčně neměnného Zátiší, kterým se vesmír kdysi zdál být, byl ve skutečnosti živý v čase, jako film. Přetočte film expanze a vesmír by nakonec dosáhl stavu nekonečné hustoty a energie-to, co astronomové nazývají Velkým třeskem. Ale co když se trefíte rychle dopředu? Jak by příběh skončil?

vesmír je plný hmoty a hmota přitahuje jinou hmotu gravitací. Astronomové usoudili, že vzájemná přitažlivost mezi celou hmotou musí zpomalovat expanzi vesmíru. Ale nevěděli, jaký bude konečný výsledek. By gravitační efekt být tak silná, že vesmír by nakonec protáhnout určitou vzdálenost, zastavit a zvrátit sám, jako míč hodil do vzduchu? Nebo by to být tak mírné, že vesmír by vymanit se z jeho sevření a nikdy přestat rozšíření, jako raketa opouští zemskou atmosféru? Nebo jsme žili v nádherně vyváženém vesmíru, ve kterém gravitace zajišťuje rychlost expanze Zlatovlásky ani příliš rychle, ani příliš pomalu-takže by se vesmír nakonec zastavil?

za Předpokladu existence temné hmoty a že zákon gravitace je univerzální, dva týmy astrofyziků—jeden vedl Saul Perlmutter, na Lawrence Berkeley National Laboratory, ostatní Brian Schmidt, na Australské Národní Univerzitě—určí budoucnost vesmíru. Během 90. let soupeřící týmy pečlivě analyzovaly řadu explodujících hvězd nebo supernov, pomocí těchto neobvykle jasných, krátkodobých vzdálených objektů, aby změřily růst vesmíru. Věděli, jak jasné by se supernovy měly objevit v různých bodech vesmíru, pokud by rychlost expanze byla jednotná. Porovnáním toho, o kolik jasnější se supernovy skutečně objevily, astronomové usoudili, že mohou určit, jak moc se expanze vesmíru zpomaluje. Ale astronomům překvapení, když se podívali, jak daleko přes půl vesmíru, šest nebo sedm miliard světelných let daleko, zjistili, že supernovy nebyla jasnější—a tedy blíže, než se očekávalo. Byly tmavší-tedy vzdálenější. Oba týmy dospěly k závěru, že expanze vesmíru se nezpomaluje. Zrychluje se to.

důsledky tohoto objevu byly významné: znamenalo to, že dominantní silou ve vývoji vesmíru není gravitace. Je…něco jiného. Oba týmy oznámily své výsledky v roce 1998. Turner dal“ něco “ přezdívku: temná energie. Zaseklo se to. Od té doby astronomové sledovali tajemství temné energie až na konec země—doslova.

„Jižní Pól má nejdrsnějších prostředí na Zemi, ale také nejvíce benigní,“ říká William Holzapfel, University of California v Berkeley astrofyzik, který byl na místě vedoucí výzkumník na Jižním Pólu Telescope (SPT), když jsem navštívil.

nebyl s odkazem na počasí, i když v týdnu mezi Vánocemi a Nový Rok—počátkem léta na Jižní Polokouli, Slunce svítilo po celý den, teploty byly sotva v minus jednotlivé číslice (a jednou dokonce zlomil nula), a vítr byl většinou v klidu. Holzapfel udělal procházku od stanice Amundsen-Scott South Pole National Science Foundation (házení sněhové koule z tradičního místa samotného pólu, které je označeno, Ano, pólem) k dalekohledu v džínách a běžeckých botách. Jednoho odpoledne se laboratorní budova dalekohledu tak zahřála, že posádka opřela dveře.

Ale od astronom pohledu, ne, dokud Slunce jde dolů a zůstane na zemi—Březen až září— Jižní Pól se „benigní.“

„je to šest měsíců nepřetržitých dat,“ říká Holzapfel. Během 24hodinové tmy australského podzimu a zimy funguje dalekohled nonstop za bezvadných podmínek pro astronomii. Atmosféra je tenká (pól je více než 9 300 metrů nad mořem, z toho 9 000 je led). Atmosféra je také stabilní, vzhledem k absenci topení a chlazení účinky rostoucí a nastavení Slunce, pole má některé z nejklidnější větry na Zemi, a téměř vždy vyhodit ze stejného směru.

možná nejdůležitější pro dalekohled je vzduch výjimečně suchý; technicky je Antarktida poušť. (Rozpraskané ruce může trvat týdny léčit, a pocení opravdu není hygienický problém, takže omezení na dvě sprchy týden šetřit vodou není moc problém. Jak mi řekl jeden pól veterán, “ ve chvíli, kdy se vrátíte přes zvyky v Christchurch.“, tehdy budete potřebovat sprchu.“) SPT detekuje mikrovlny, část elektromagnetického spektra, která je zvláště citlivá na vodní páru. Vlhký vzduch může absorbovat mikrovlny a zabránit jim v dosažení dalekohledu a vlhkost vydává své vlastní záření, které by mohlo být nesprávně interpretováno jako kosmické signály.

aby se tyto problémy minimalizovaly, astronomové, kteří analyzují mikrovlny a submilimetrové vlny, učinili jižní pól druhým domovem. Jejich nástroje sídlí v temném sektoru, těsném shluku budov, kde jsou světlo a další zdroje elektromagnetického záření omezeny na minimum. (V blízkosti se nachází tichý sektor pro seismologický výzkum a sektor čistého vzduchu pro klimatické projekty.)

Astronomové chtěl říci, že pro více původní pozorovací podmínky, že bude muset jít do vesmíru—exponenciálně dražší nabídku, a ten, který NASA obecně nemá rád pokračovat, pokud věda nemůže snadno být provedeno na Zemi. (Satelit temné energie je na rýsovacím prkně i mimo něj od roku 1999 a loni se podle jednoho poradce NASA „vrátil na začátek“.), Alespoň na Zemi, pokud se něco pokazí s nástrojem, nemusíte se zabavit raketoplánu, aby ji opravit.

Spojené státy udržují celoroční přítomnost na pólu od roku 1956 a nyní antarktický Program National Science Foundation v USA dostal život tam dolů, no, věda. Do roku 2008 byla stanice umístěna v geodetické kopuli, jejíž koruna je stále viditelná nad sněhem. Nová základnová stanice připomíná malou výletní loď více než vzdálenou základnu a spí více než 150, vše v soukromých čtvrtích. Skrz okénka, která lemují dvě patra, můžete uvažovat o horizontu tak hypnoticky jako každý oceán. Nová stanice spočívá na výtazích, které, jak se hromadí sníh, umožňují zvedat dvě plné patra.

sněžení v tomto ultra-vyprahlé oblasti, může být minimální, ale to, co vane z kontinentu hrany mohou ještě dělat bordel, vytváří jeden z více světské úkoly pro SPT je zimní posádky. Jednou týdně během temných měsíců, kdy se populace stanice zmenší na přibližně 50, musí dva výzkumníci SPT na místě vylézt do mikrovlnné misky dalekohledu o šířce 33 stop a vyčistit ji. Dalekohled shromažďuje data a odesílá je do stolních počítačů vzdálených vědců. Oba „zimní“ tráví své dny prací na datech, také, analyzovat to, jako by byli doma. Ale když dalekohled zasáhne závadu a zazní alarm na jejich laptopech, musí zjistit, v čem je problém—rychle.

„hodina prostoje je tisíce dolarů ztraceného pozorovacího času,“ říká Keith Vanderlinde, jeden ze dvou zimních období roku 2008. „Vždy existují malé věci. Ventilátor se rozbije, protože je tam tak suchý, že veškeré mazání zmizí. A pak se počítač přehřeje a sám vypne, a najednou jsme dole a nemáme tušení proč.“V tu chvíli se prostředí nemusí zdát tak „benigní“. Žádné lety jít do nebo z Jižního Pólu od Března do října (letadla, motorového oleje by želatinování), takže pokud v zimě přenosy nelze opravit, co je rozbité, to zůstává přerušeno—což se ještě nestalo.

Více než většina věd, astronomie závisí na smyslu zraku; než astronomové mohou znovu představit vesmír jako celek, musí nejprve zjistit, jak vnímat temné části. Vědět, co je temná hmota, by vědcům pomohlo přemýšlet o tom, jak se formuje struktura vesmíru. Vědět, co dělá temná energie, by vědcům pomohlo přemýšlet o tom, jak se tato struktura v průběhu času vyvinula—a jak se bude i nadále vyvíjet.

vědci mají několik kandidátů na složení temné hmoty-hypotetické částice nazývané neutraliny a axiony. Pro temnou energii je však úkolem zjistit, co to není, ale jaké to je. Zejména astronomové chtějí vědět, zda se temná energie mění v prostoru a čase, nebo zda je konstantní. Jedním ze způsobů, jak ji studovat, je měření takzvaných baryonových akustických oscilací. Když byl vesmír ještě v plenkách, pouhé 379,000 let, to se ochladí dostatečně na baryony (částice vyrobené z protonů a neutronů) oddělit od fotonů (záblesky světla). Toto oddělení zanechalo otisk-nazývaný kosmické mikrovlnné pozadí-který lze ještě dnes detekovat. Zahrnuje zvukové vlny („akustické oscilace“), které procházely kojeneckým vesmírem. Vrcholy těchto oscilací představují oblasti, které byly o něco hustší než zbytek vesmíru. A protože hmota přitahuje hmotu gravitací, tyto oblasti rostly ještě hustší, jak vesmír stárl, splynuly nejprve do galaxií a poté do shluků galaxií. Pokud astronomové porovnat původní kosmické mikrovlnné pozadí oscilace s rozložení galaxií v různých fázích historie vesmíru, mohou měřit rychlost rozpínání vesmíru začalo.

jiný přístup k definování temné energie zahrnuje metodu zvanou gravitační čočka. Podle teorie obecné relativity Alberta Einsteina se zdá, že paprsek světla procházející vesmírem se ohýbá kvůli gravitačnímu tahu hmoty. (Ve skutečnosti je to samotný prostor, který se ohýbá,a světlo prostě jde za jízdou.) Pokud dva shluky galaxií leží podél jedné linie pohledu, bude hvězdokupa v popředí působit jako čočka, která zkresluje světlo přicházející z hvězdokupy na pozadí. Toto zkreslení může astronomům říci hmotnost hvězdokupy v popředí. Vzorkováním milionů galaxií v různých částech vesmíru by astronomové měli být schopni odhadnout rychlost, jakou se galaxie v průběhu času shlukly do shluků, a tato rychlost jim zase řekne, jak rychle se vesmír rozšířil v různých bodech své historie.

Jižní Pól Dalekohled používá třetí způsob, tzv. Sunyaev-Zel’dovich efekt, pojmenovaný pro dva Sovětští fyzikové, která čerpá z kosmické mikrovlnné pozadí. Pokud foton z nich interaguje s horkým plynem v klastru, dochází k mírnému zvýšení energie. Detekce této energie umožňuje astronomům mapovat tyto shluky a měřit vliv temné energie na jejich růst v celé historii vesmíru. To je alespoň naděje. „Mnoho lidí v komunitě vyvinulo to, co považuji za zdravý skepticismus. Říkají: „To je skvělé, ale ukažte nám peníze,“ říká Holzapfel. „A myslím, že za rok nebo dva budeme v pozici, abychom to mohli udělat.““

SPT tým se zaměřuje na kupách galaxií, protože jsou největší struktury ve vesmíru, často skládající se ze stovek galaxií—jsou jeden milion miliard krát hmotnost Slunce. Jak temná energie tlačí vesmír k expanzi, klastry galaxií budou mít těžší růst. Budou od sebe vzdálenější a vesmír bude chladnější a osamělejší.

klastry galaxií „jsou něco jako kanárky v uhelném dole, pokud jde o formování struktury,“ říká Holzapfel. Pokud by se změnila hustota temné hmoty nebo vlastnosti temné energie ,hojnost shluků “ by byla první věcí, kterou je třeba změnit.“Dalekohled s jižním pólem by měl být schopen sledovat shluky galaxií v průběhu času. „Můžete říci:“ před tolika miliardami let, kolik klastrů tam bylo a kolik jich je nyní?““říká Holzapfel. „A pak je porovnejte s vašimi předpověďmi.“

přesto všechny tyto metody přicházejí s upozorněním. Předpokládají, že jsme dostatečně pochopit gravitaci, která je nejen protichůdné síly temné energie, ale byl velmi základy fyziky za poslední čtyři staletí.

Dvacet krát za sekundu, laser vysoko v Sacramento Mountains of New Mexico cílem je puls světla na Měsíc, 239,000 mil. Cílem paprsku je jeden ze tří reflektorů velikosti kufru, které astronauti Apolla vysadili na měsíční povrch před čtyřmi desítkami let. Fotony z paprsku se odrazí od zrcadla a vrátí se do Nového Mexika. Celková doba zpáteční cesty: 2,5 sekundy, více či méně.

že „více či méně“ dělá celý rozdíl. Načasováním cesty rychlosti světla mohou vědci z Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO) měřit vzdálenost Země-Měsíc okamžik k okamžiku a mapovat oběžnou dráhu Měsíce s vynikající přesností. Stejně jako v apokryfní příběh Galileo vrácení míče ze šikmé Věže v Pise k testování univerzálnosti volného pádu, APOLLO léčí Země a Měsíc jako dvě koule pád v gravitačním poli Slunce. Mario Livio, astrofyzik na Space Telescope Science Institute v Baltimoru, nazývá to “ naprosto neuvěřitelný experiment.“Pokud oběžné dráhy Měsíce exponáty i sebemenší odchylka od Einsteinovy předpovědi, vědci by mohl přehodnotit jeho rovnice—a možná dokonce i existence temné hmoty a temné energie.

„zatím se Einstein drží,“ říká jeden z hlavních pozorovatelů Apolla, astronom Russet McMillan, když její pětiletý projekt prochází polovinou.

i kdyby Einstein nedržel, vědci by nejprve museli eliminovat další možnosti, jako je chyba v měření hmotnosti Země, Měsíce nebo Slunce, než připustí, že obecná relativita vyžaduje nápravu. Přesto astronomové vědí, že gravitaci považují za samozřejmost na vlastní nebezpečí. Mají dovodit existenci temné hmoty vzhledem k jeho gravitační vliv na galaxie, a existenci temné energie v důsledku jeho anti-gravitační účinky na rozpínání vesmíru. Co když předpoklad, který je základem těchto dvojitých závěrů-že víme, jak funguje gravitace – je špatný? Může teorie vesmíru ještě více bizarní než jedna představující temnou hmotu a temnou energii představovat důkaz? Abychom to zjistili, vědci testují gravitaci nejen napříč vesmírem, ale i napříč stolem. Až donedávna fyzici neměřili gravitaci v extrémně blízkých rozsazích.

“ úžasné, že?“říká Eric Adelberger, koordinátor několika gravitačních experimentů probíhajících v laboratoři na University of Washington v Seattlu. „Ale nebylo by úžasné, kdybyste se o to pokusili“—pokud byste se pokusili otestovat gravitaci ve vzdálenostech kratších než milimetr. Testování gravitace není jen otázkou umístění dvou objektů blízko sebe a měření přitažlivosti mezi nimi. Všechny druhy jiných věcí mohou mít gravitační vliv.

„tady je kov,“ říká Adelberger a ukazuje na nedaleký nástroj. „Támhle je svah“ – mává směrem k nějakému bodu kolem betonové zdi, která obklopuje laboratoř. „Támhle je jezero.“V půdě je také hladina podzemní vody, která se mění pokaždé, když prší. Pak je tu rotace Země, poloha Slunce, temná hmota v srdci naší galaxie.

v posledních deseti letech v Seattlu tým se měří gravitační přitažlivost mezi dvěma objekty na menší a menší vzdálenosti, až do 56 mikronů (nebo 1/500 palce), jen aby se ujistil, že Einsteinova rovnice pro gravitační pravdivé v co nejkratší vzdálenosti. Zatím Ano.

ale i Einstein uznal, že jeho teorie obecné relativity vesmír úplně nevysvětlila. Posledních 30 let svého života strávil snahou sladit svou fyziku velmi velké s fyzikou velmi malé kvantové mechaniky. Neuspěl.

Teoretici mají přijít se všemi druhy možností, ve snaze sladit obecnou relativitu s kvantovou mechanikou: paralelní vesmíry, srazí vesmíry, bublinkové světy, vesmíry s extra dimenzí, vesmírů, které věčně reprodukovat, vesmírů, které se odrážejí od Velkého Třesku po Velký krach na Velký Třesk.

Adam Riess, astronom, který spolupracoval s Brianem Schmidtem na objev temné energie, říká, že vypadá každý den na Internetové stránky (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph), kde vědci po jejich analýz vidět, jaké nové myšlenky tam jsou. „Většina z nich je docela výstřední,“ říká. „Ale je možné, že někdo vyjde s hlubokou teorií.“

pro všechny své pokroky se ukázalo, že astronomie pracovala pod nesprávným, pokud rozumným předpokladem: to, co vidíte, je to, co dostanete. Nyní astronomové se přizpůsobit k myšlence, že vesmír není věcí nás—ve velkém schématu věcí, náš druh a naši planetu a naše galaxie a vše, co jsme kdy viděli je, jak teoretický fyzik Lawrence Krauss z Arizonské Státní Univerzity řekl: „trochu znečištění.“

přesto kosmologové nemají tendenci se odradit. „Opravdu těžké problémy jsou skvělé,“ říká Michael Turner, “ protože víme, že budou vyžadovat šílený nový nápad.“Jak řekl Andreas Albrecht, kosmolog na Kalifornské univerzitě v Davisu, na nedávné konferenci o temné energii: „Pokud přede mnou položíte časovou osu dějin vědy a já si mohu vybrat jakýkoli čas a pole, tady bych chtěl být.““

Richard Pánek napsal o Einsteinovi pro Smithsonian v roce 2005. Jeho kniha o temné hmotě a temné energii vyjde v roce 2011.