John Mather (2010) - The History of the Universe, from the Beginning to the Ultimate End

I will summarize the history of the universe, from the Big Bang through the formation of galaxies and the Solar System, and the history of the Earth and some of the special factors enabling the formation of life

I would like to tell you as a thespian the entire history of the universe from the beginning to end, I have only half an hour so it will be brief. So thank you for inviting me to come and telling you this amazing story. Astronomers have actually made tremendous progress on this and we are still guessing about many of the things I'm going to tell you. Many of the things are probably not true, but you will find out later, as we all will, as this comes to be discussed. So astronomers are now working on this question of how did we get here. Just as Jack and Ada were talking about, we are very interested in the origins of life. So astronomers have the easy part, I think, we have the challenge of describing the physical universe that leads to the conditions where life could exist here on the planet earth. We have a story about the Big Bang, we have a story about how galaxies are made from the primordial material. How galaxies change with time, how stars are made within galaxies, how planets can be made around stars. And eventually, how the conditions for life may come to exist here and perhaps many other places. So we are as astronomers working on the physical universe part and then we say, okay, biologists, you have the next step. So first I want to show you about the expanding universe. Back in 1929 this chart was made by Edwin Hubble. He plots here each dot as a galaxy. A galaxy as you know is 100 billion stars orbiting around each other. On the horizontal axis is his estimated distance, on the vertical axis is the speed that he measured from the Doppler shift. So the immediate conclusion from this chart in 1929 is that the universe is expanding. The most distant galaxies are going away from us at speeds approximately proportional to the distance, and that means that you can calculate the approximate age of the universe by dividing the distance by the speed. So in those days he had wrong estimates for the distance, so we had a very confusing picture for a time, and the universe appeared to be younger than the oldest objects in it. So that mistake took several decades to correct, but at any rate it was corrected. Now we have this story which we call Hubble’s law, it’s not just a theory, it´s the law. And, by the way, also in 1929 it was discovered, that the worldwide economy could collapse. So it’s a good thing to remember that that’s the year we also discovered that the entire universe could expand. In 1929 this was a very large surprise. I will show you pictures of some of the people who thought about this. In the middle there you see Albert Einstein, and he is the man who told us that space and time are not absolute but are mixed together in order to have special relativity. Special relativity is the set of formulae that explains how it is possible that the speed of light would be a constant regardless of whether we are moving or not. So it turns out that’s the unique solution to that particular problem. In 1916 he generalised this theory to include the forces of gravity and he said that space and time are curved by the action of gravitation. And this then gave us for the first time the ability to calculate the force of gravity across an infinite universe, because his equations are differential equations and not just what Isaac Newton had given us. When Isaac Newton thought about this problem of gravitation across the universe, the result was infinities. So it was not possible to come to a definite conclusion, but Isaac Newton already was aware that there was a problem. In 1929 this was still a surprise. Now I want to tell you about the work of the two people here on the left, Alexander Friedmann in 1922 applied Einstein’s equations, and he said “I think the universe is expanding”, and he gave us the right equations for how to describe it. In 1925 he died, so he didn’t get to see that he was correct. In 1927 George Lemaître here, who is shown next to Einstein, wearing his Belgium priest´s collar, who was a mathematician and a Belgian priest, derived the same equations and said “I call this the primeval atom”. And in both cases Einstein said this is mathematically correct but physics is abominable. So he was quite sure, Einstein was, that the universe could not possibly be expanding. How would he know? Well he asked his friends and the friends said “everyone knows the universe is not expanding”. So Einstein had included in his equations a constant of integration, which we now call the Lambda constant, and his idea was that the Lambda constant was a force of repulsion, which would balance the force of contraction that gravitation would produce. So Einstein was greatly surprised in 1929 to find that his constant was not needed in the expanding universe, and he had to apologise for being rude, as well as for making a great mistake, which he supposedly called his greatest blunder. So that’s in the early part of the 20th century. In the middle of the 20th century George Gamow, who is shown here, was a Ukrainian physicist who came to the United States to work. After the war was over and people know about nuclear reactions much more, they were able to calculate the processes that should have occurred in the early universe. So they said “what if we calculate the properties of the Big Bang?”. So they were able to say and the lifetime of the neutron was known”, so it was realised that the primordial material should make hydrogen and helium in the first few minutes. And then after that the neutrons would be gone, so the cosmic abundance of hydrogen and helium was set in the first few minutes of the expanding universe. He also said the universe should be filled with radiation, cosmic microwave radiation, which would have a temperature of a few degrees, about five degrees above absolute zero. And this was not possible to measure at that time. It would have been a very difficult measurement. Now we know that it´s possible for a determined high school student to measure it with equipment from television receivers. In 1948, when they calculated these things, it was not possible. They tried quite hard but it was not measured, until it was discovered in 1965 by two of the Nobel prize winners, who actually are here today, Arnold Penzias and Bob Wilson, and so the discovery of this cosmic radiation was a tremendous surprise as it turns out, even though some people had already been thinking about it decades before. I’ll point out that this radiation is incredibly bright, although it’s difficult for us to measure in that order of magnitude it´s very bright and in fact if you tune your television receiver between channels, about 1% of the snow flakes you see on a TV screen come from the cosmos, come from the Big Bang radiation itself. So if you knew what you were looking at you'd say “aha now I understand the Big Bang!”. I have two other pictures here. On the bottom on the left are Alpher and Herman. They were working with George Gamow and they were the ones who actually did these calculations in 1948. They are shown here as they appeared when they came to the launch of their satellite which made a more precise measurement and earned the Nobel prize. On the right hand side we have Sunyaev and Peebles, who are two modern theorists. This is a reminder that no theorist has earned a prize yet for the Big Bang, but many observers have now. I want to point out that a consequence of Hubble’s Law, the straight line on his graph, is that there is no measurable centre or edge of the universe. You might say “well, I see all the galaxies are going away from us here on earth, doesn’t that mean that we are at the centre?”. And the conclusion of the calculation is here, each of these astronomers would conclude that he or she is at the centre of the universe. Therefore there is no centre that we can determine. Astronomers have of course been very busy looking for a centre or an edge for many generations and we have not found one. There is of course a practical edge. You cannot see past the time that we’ve been allotted, if we have existed here for 13.7 billion years, that means you can see 13.7 billion light years in every direction and that’s as far as we can see, because we are looking back towards the beginning by looking at most distant things. We look back in time as we look at distant objects. So the practical fact is, there is a small part of the universe we can see, and there is probably much more universe beyond that that we cannot see, because we have not existed long enough. So to wave my arms very vigorously we imagine there was some primordial material. Possibly infinite in extent, possibly not. Some small volume of it began expanding by some strange and bizarre quantum mechanical process. One of the great challenges of modern physics is to understand this initial period of time when we believe that quantum mechanics and gravitation must be merged into some kind of quantum gravity theory. And we do not have yet a successful theory. Many people are still working on it. At any rate not only did material start flowing away from other material in the expansion but we picture that space itself has been expanding. Now space is not necessarily a substance we do not know what space or time actually are for themselves, but perhaps when we get a theory of quantum gravity, then we will have a better idea. At any rate this early universe began expanding exponentially rapidly. It doubled in size about a hundred times in a very, very tiny instant of time and kicked off the expanding universe of today. Now we say “well, we look around and we do not see our local universe expanding”. The solar system is not expanding, the galaxy is not expanding, nearby galaxies are not all of them going away. So what is it that has made possible the non-expansion of our local part? How can we exist if the whole universe is expanding? So the idea is that some parts of the early universe were more dense than others, and they would have enough self attraction through their own gravitational forces to combat the expansion rate. And so this is the story, the initial material had to be slightly inhomogeneous, some parts denser than others, so that the gravitation could stop the expansion in those volumes and fall back and make stars and galaxies. Of course after a star can be born, then we can have the nuclear reactions inside this star that produce the other elements. I told you earlier, that we had only hydrogen and helium from the Big Bang, so where did the chemical elements of life come from? They come from stars that have, a previous generation of stars that have burned their nuclear material and exploded and distributed the chemical elements back into space. So we ourselves are already recycled material from inside stars. If you look in the mirror in the morning, and you see the chemical elements of life, you have to remember, they were not there in the Big Bang. They were formed already inside stars. So you can be doing your cosmology every morning when you are doing your cosmetics. So I have a short chart to summarise the early history of the universe, we have a picture of the Big Bang as measured with microwaves. We have an idea that galaxies are formed by small objects merging together to form large ones. Just as small streams flow together to form large rivers. We have a picture in the lower left of our nearest large neighbour galaxy, the Andromeda nebula, which you can see with binoculars quite nicely. It’s about as big as the full moon but not nearly as bright. So in the beginning we have a story which was – the Big Bang by the way was renamed the "Horrendous Space Kablooie" by our American cartoonist of Calvin and Hobbes. So I like the name actually better than the “Big Bang”, because it suggests that there is something strange that happens about space itself. So it´s compatible with the idea that there’s an inflation and space itself may be expanding. Since we don’t know what space is, that’s a little bit tricky, but it’s a different point of perspective. So the original material gave us the chemical elements of hydrogen and helium, it started off the universe with the expansion, it gave us a dark matter, which is important. We would not exist without dark matter. And that all happened 13.75 billion years ago with a very small error bar. We are now in the era of precision cosmology. So I mentioned earlier that the helium nuclei, that were made in the first few minutes, then the universe expanded and cooled when it was about 389.000 years old, the electrons found the atomic nuclei and the primordial gases material became neutral. Before that it was opaque as a plasma, and after that it was neutral, and the photons of the background radiation could propagate to us. The universe became transparent. So then hypothetical events on the chart, the first generation of stars, we imagine they were very different from the sun, and much more massive, and that they would burn out very promptly in a few million years. Then galaxies were formed and then at the end, here I point out, that about 5 billion years ago the universe began to accelerate again and to go faster and faster. This is a tremendous surprise of the last decade of astronomy, and it tells us a little bit about what may happen at the end of the universe. We see now that the universe is accelerating and going faster and faster, that means that in a number of billions of years, the distant galaxies will be so far away that most of them will be invisible to us. Their velocities of recession will continue to increase and in 100 billion years or so almost all of them will be invisible. Not only will the stars go out, but the galaxies will be too far away for us to see. So we have a few billion years before we have to move. This chart illustrates very briefly why we talk so much about the microwave background radiation. It is the strong remnant of the primordial material, it is a material that we can measure very precisely in every direction, and at the right hand side of the picture is one of the space probes that is out there currently measuring the radiation. And the properties of this microwave radiation turn out to be extremely informative. I don’t have time to tell you details. I do want to show you one picture of the first satellite that was built to measure this radiation: this was the cosmic background explorer or COBE Satellite. At least for me the idea came from the failure of my thesis project, which was an attempt to measure the cosmic background radiation with a balloon payload. The balloon payload failed for a number of reasons, and I concluded that this subject was much too difficult, I would leave the subject. But a few months later NASA solicited proposals for satellite missions, and I said to my advisor We had no idea how hard that project would be, but here it is, it was launched fifteen years later. And here it is as an artist would see it in space. It carried instruments to measure the microwave radiation and to look for the light of the first galaxies. So I’ll show you just a few things from it. Here is the spectrum of the microwave radiation. The frequency of the waves, the cycles per centimetre on horizontal axis, brightness in the vertical direction. You see all the little boxes are exactly on the curve as it should be if the Big Bang theory is correct. So we received a standing ovation when we showed this to the astronomical society. I was a little surprised, because I knew this was the right answer. The astronomers were assembled. They had been quite worried that the Big Bang theory might not have been correct. So this was a tremendous relief for people. Now this little picture is in all the text books. Our second discovery was this set of maps of the sky, the one to focus on is the Ellipse at the bottom of the picture. This is a map after taking out all of the local effects that we know and the blobs, the objects on the map, are primordial temperature variations. The tiny variations of the temperature of the microwave radiation from place to place. As it turns out the cold regions on this map are the ones which are more dense in the early universe, and those are the volumes which are going to develop into galaxies and clusters of galaxies. And the bright regions, the pink ones are the ones which are going to turn out to be empty, where the gravitation will pull the material away. Stephen Hawking saw this picture. He said it was the most important scientific discovery of the century if not of all time. I was appreciative of his good words but of course I think there have been some other discoveries as well. So on the other hand, if those blobs were not there, we would not exist, so maybe it´s important. Years have passed, we have now a great deal of activity in characterising the statistics of those objects, that you see in those maps. And this is a theoretical curve which has been used and interpreted to determine many cosmological parameters down to the percent level of accuracy. I don’t have time to explain the details, but I just wanted to show that there’s a tremendous amount that can be learned from the shapes of those objects on the microwave map. Now time is short, so I will not actually give you all the details of anything else either. This is a picture of three people who discovered that the universe is accelerating, and we named the cause of this acceleration Dark Energy. Now that means that we do not have any idea what it is. So in a few years maybe somebody will have the correct description, but right now it´s only a name. There are a few mysteries remaining for us, astronomers would say we know that there is only matter in the universe. There are no anti-matter galaxies. Particle physicists want to know why this is true. I told you there is dark matter out there, there´s a lot more of it than there are atoms and molecules. The question of what is the dark energy, what is it beyond, just a name? Everyone wants to know from astronomers, is Einstein right about relativity? And of course we are busy testing it but we are not there yet. And we would certainly like to answer the question of our own history. How did the earth come to exist and how did all those things come to be that we can live here? Are we the only living things in the universe? Is it possible, of course, in the remote possibility, that you could communicate with other living things and of course for our own history what would happen next? So astronomers are now pursuing the infrared region of observations in space. I will show you the project I'm currently working on. We would like very much to be able to study infrared radiation from outer space. And it’s a very difficult project because infrared does not come well through the earths atmosphere, and because telescopes emit infrared radiation of their own. So on the other hand, it´s interesting because of that same factor objects at room temperature emit infrared radiation. Your body is emitting about 500 watts of infrared radiation, as each of us are sitting here in the room. So the telescope we are currently building is called the James Webb Space Telescope and named after the man at NASA, who organised us to go to the moon, and did it successfully. This telescope is being now built by a partnership with a European and Canadian space agencies with my agency, NASA, in the United States. We are well along in the process of building it, which was started fifteen years ago. This telescope that you see here does not look like an ordinary telescope. It looks more like a solar energy concentrator. Actually think of it as a galaxy energy concentrator, bringing light from the distant universe to concentrate and be focused by the giant hexagonal parabolic mirror down into the instrument package. The large blue system that you see underneath is a umbrella, a sun shield to protect the telescope from the sun and the earth, and allow it to become cold. The telescope will operate at a temperature of about 40° Kelvin and it is also much larger than a rocket. You see that it is a structure, not just a tube, so I don’t have the video for you but it actually will unfold after launch from the Ariane 5 rocket. And we are hoping to launch it in 2014 with luck. So I’ll show you just a few of the scientific topics that we hope to address with it. I wanted to assure you that we are learning how to focus the telescope. the Hubble Space Telescope, as you all know, was imperfect when it was launched and it was repaired by astronauts. Our telescope is going to be much farther away, a million miles away from the earth and it cannot be fixed. So we have to get it right the first time, so we are practicing. We have this small model and then we will take the telescope that we will fly to this giant test chamber in Houston, Texas, where the Apollo astronauts actually want to practice being in a vacuum. A few things to illustrate about our scientific program. One of the remarkable discoveries is that as Einstein told us it would happen, gravitation can bend light. So you can barely see in the upper right corner of the picture that there is a pink arc and the pink arc is actually the image of a very distant galaxy that has been magnified and distorted by the gravitational field of these other galaxies that you see in the picture. So Einstein’s gravitation is helping us see even farther into the distant universe. We have the capability of understanding how galaxies were formed, not by watching them do this, but by simulating them. So in the lower right we see a computer simulation, that for a moment matches the picture of real galaxies They completely change their appearance as they merge together. By the way the Andromeda nebula is coming towards us and it is going to do that to our galaxy in about 5 billion years. We have these projects in front of us. We will watch stars explode occasionally. This is an image, on the right is an image of a star that will explode in the next few hundred thousand years quite nearby to us. On the left there’s a concept of how it may work. Anyway we have seen something like this happened. Well, this is a rare case but probably like the earliest stars in the universe as they explode. Once in a while a star blows up and has a jet of material that comes out and is aimed at us. This is a jet of material moving at nearly the speed of light, and once in a while, when it is aimed at us, we receive a burst of gamma radiation that lasts for about two seconds. And just in the last few years it was recognised that these are the sources. These are stars exploding at the edge of the universe and just happening to be aimed at us we can get these gamma rays. So all of these things are mysteries we will pursue to try to understand. Another closer target for us is the Eagle nebula. If we could lower the lights a little bit this would really help with these pictures. But in any way this is a very famous picture from the Hubble Space Telescope, it shows, where you see these beautiful images of a star forming region, stars have been born inside these dark clouds of material. And the Hubble Telescope even cannot see inside because the dark clouds of dust are opaque. Now if you can use infrared light, you can see through the dusty material inside and see where stars are being born these days. So we have a chance to learn much more about the formation of stars like the sun, as we look at clouds nearby where it is currently happening. It was mentioned earlier by Jack that we are now able to take pictures of planets around other stars, and we have a picture here that illustrates this. We have hundreds of targets eventually, maybe thousands, and the possibility, which I will now illustrate in the next chart, that we can learn about the chemistry of the atmospheres of those planets. The movie shows a planet going in front of a distant star, and you should imagine that a little bit of the starlight is going through the atmosphere of that planet on its way to our telescope. That means we can do spectroscopy, we can determine the chemical composition of the atmosphere of another planet by doing this. And we do not have to have a telescope that makes a separate image of this planet, we can have a telescope that just watches the change of light as the planet intercepts some starlight. So once in a while even the opposite occurs as well, the planet will be obscured by this star. And both of these have already been done with telescopes in space, with our new telescope we hope to do better. It is not probable that our telescope will be able to do this for an earth-like planet around a sun-like star, but for a future generation of observatory that would be built just for this purpose. We should be able to learn whether a planet around another star has an atmosphere like the earth with oxygen, and that would be a clue that there’s life. So there’s a little paperback book which has been published, that summarises or story, and it´s available from Amazon.com. And of course there are plenty of websites that convey the general information of our story. So anyway, thank you very much for hearing the story of the universe and appreciating the mysteries that are still in front of us. Applause.

Ich würde Ihnen gerne als Darsteller die gesamte Geschichte des Universums vom Anfang bis zum Ende erzählen, dabei habe ich nur eine halbe Stunde, es wird also kurz. So, vielen Dank für die Einladung, hierher zu kommen und diese erstaunliche Geschichte zu erzählen. Die Astronomen haben tatsächlich enorme Fortschritte gemacht und viele Dinge, über die ich berichten werde, sind immer noch Vermutungen. Viele Dinge sind wahrscheinlich nicht wahr, aber das finden Sie später heraus, wir alle finden das heraus, wenn darüber diskutiert wird. Die Astronomen beschäftigen sich also jetzt mit der Frage, wie wir hierher kamen. Wie uns Jack und Etta berichtet haben, sind wir sehr an den Ursprüngen des Lebens interessiert. Astronomen haben dabei den leichteren Part, glaube ich, wir stehen vor der Herausforderung, das physische Universum zu erklären, das zu den Bedingungen führte, durch die Leben hier auf dem Planeten Erde entstehen konnte. Wir haben die Geschichte des Urknalls, wir haben die Geschichte über die Entstehung der Galaxien aus dem Ursprungsmaterial. Wie sich Galaxien mit der Zeit verändern, wie Sterne innerhalb der Galaxien entstehen, wie Planeten um die Sterne herum entstehen können. Und schließlich, wie die Bedingungen für das Leben hier und vielleicht an vielen anderen Orten entstanden sein könnten. So arbeiten wir als Astronomen am Teil mit dem physischen Universum und dann sagen wir, OK, jetzt seid Ihr Biologen an der Reihe. Als Erstes möchte ich Ihnen daher das sich ausdehnende Universum zeigen. Im Jahre 1929 wurde dieses Diagramm von Edwin Hubble angefertigt. Er stellt hier jede Galaxie grafisch als Punkt dar. Eine Galaxie besteht, wie Sie wissen, aus 100 Milliarden Sternen, die sich um einander drehen. Auf der horizontalen Achse liegt die geschätzte Entfernung, auf der vertikalen Achse die Geschwindigkeit, die er aus der Dopplerverschiebung abgeleitet hat. Aus diesem Diagramm von 1929 ergibt sich sofort der Schluss, dass sich das Universum ausdehnt. Die am weitesten entfernten Galaxien entfernen sich von uns mit Geschwindigkeiten, die beinahe proportional zur Entfernung sind, was bedeutet, dass man das ungefähre Alter des Universums berechnen kann, indem man die Entfernung durch die Geschwindigkeit teilt. Damals hatte er aber falsche Schätzungen der Entfernung, daher ergab sich für uns eine zeitlang ein sehr verwirrendes Bild und das Universum schien jünger zu sein als die ältesten Objekte darin. Es dauerte mehrere Jahrzehnte, diesen Fehler zu korrigieren, aber immerhin wurde er korrigiert. Jetzt gibt es also diese Geschichte, die wir das Hubble’sche Gesetz nennen, sie ist nicht nur eine Theorie, sie ist Gesetz. Und nebenbei, 1929 entdeckte man auch, dass die Weltwirtschaft zusammenbrechen könnte. Man tut gut, sich daran zu erinnern, dass dies das Jahr ist, in dem entdeckt wurde, dass sich das ganze Universum ausdehnen könnte. Ich zeige Ihnen Bilder einiger Leute, die sich damit beschäftigten. In der Mitte hier sehen Sie Albert Einstein, und das ist der Mann, der uns erzählte, dass Raum und Zeit nicht absolut, sondern miteinander vermischt seien, um spezielle Relativität zu ergeben. Spezielle Relativität ist ein Satz an Formeln, der erklärt, wie es möglich ist, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante bildet, egal, ob wir uns selbst fortbewegen oder nicht. Und es stellt sich heraus, dass dies die einmalige Lösung dieses speziellen Problems ist. dass Raum und Zeit durch die Wirkung der Schwerkraft gekrümmt seien. Und dies ermöglichte es uns zum ersten Mal, die Schwerkraft in einem unendlichen Universum zu berechnen, denn seine Gleichungen sind Differentialgleichungen und nicht nur das, was uns Isaac Newton gegeben hatte. Als Isaac Newton über das Problem der Schwerkraft im Universum nachdachte, war das Ergebnis Unendlichkeit. Daher war es nicht möglich, zu einer endgültigen Schlussfolgerung zu kommen, aber Isaac Newton war sich bereits darüber im Klaren, dass es ein Problem gab. Jetzt möchte ich Ihnen von der Arbeit der beiden Männer hier links berichten, Alexander Friedman wandte Einsteins Gleichungen 1922 an und sagte: Er starb 1925 und erlebt daher nicht mehr mit, dass er Recht hatte. der in seiner belgischen Priesterrobe neben Einstein steht, dieselben Gleichungen her und sagte: dies sei zwar mathematisch korrekt, aber Physik sei nun mal abscheulich. Er war sich also ziemlich sicher, Einstein meine ich, dass sich das Universum unmöglich ausdehnen könne. Wie kam er darauf? Nun, er fragte seine Freunde und seine Freunde sagten, jeder wisse, dass sich das Universum nicht ausdehnt. Daher führte Einstein eine Integrationskonstante in seine Gleichungen ein, die wir heute kosmologische oder Lambda-Konstante nennen, und seine Vorstellung war, dass die Lambda-Konstante eine abstoßende Kraft sei, die der durch die Gravitation hervorgerufenen Anziehungskraft entgegen wirken würde. Also war Einstein sehr überrascht, als sich 1929 herausstellte, dass diese Konstante im sich ausdehnenden Universum nicht nötig war, und er musste sich dafür entschuldigen, dass er so unfreundlich gewesen war, und dafür, dass er einen großen Fehler begangen hatte, den er angeblich seinen größten Schnitzer nannte. Das also geschah Anfang des 20. Jahrhunderts. Mitte des 20. Jh. war George Gamow, der hier gezeigt wird, ein ukrainischer Physiker, der zum Arbeiten in die Vereinigten Staaten kam. Nach Kriegsende wussten die Menschen weit mehr über nukleare Reaktionen und waren in der Lage, die Prozesse, die im frühen Universum stattgefunden haben sollten, zu berechnen. So sagten Sie: Sie konnten sagen, wir wissen, welche Reaktionen stattgefunden haben sollten, die Reaktionsrate der Neutronen mit den Protonen konnte geschätzt werden und die Lebensspanne des Neutrons war bekannt, so wurde klar, dass aus dem Ursprungsmaterial in den ersten paar Minuten Wasserstoff und Helium hervorgegangen sein sollte. Und danach wären die Neutronen verschwunden, und der kosmische Reichtum an Wasserstoff und Helium ergab sich in den ersten paar Minuten des sich ausdehnenden Universums. Er behauptete weiter, dass das Universum voller Strahlung sei, kosmische Mikrowellenstrahlung, mit einer Temperatur von ein paar Grad, ungefähr 5 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Und das konnte zu jener Zeit nicht gemessen werden. Es wäre sehr schwer zu messen gewesen. Jetzt wissen wir, dass es für einen entschlossenen Gymnasiasten möglich ist, diese mit einer Ausrüstung aus Fernsehempfängern zu messen. Man gab sich alle Mühe, aber sie konnte nicht gemessen werden, bis sie 1965 von zwei der heute hier anwesenden Nobelpreisträger, Arnold Penzias und Bob Wilson, entdeckt wurde, und so war die Entdeckung dieser kosmischen Strahlung, wie sich herausstellt, eine Riesenüberraschung, obwohl einige Leute bereits Jahrzehnte zuvor darüber nachgedacht hatten. Und ich weise darauf hin, dass diese Strahlung unglaublich hell ist, obwohl sie für uns schwer zu messen ist sie ist sehr hell und tatsächlich, wenn Sie Ihren Fernseher auf einen Empfang zwischen den Kanälen einstellen, stammen rund 1 % des Schneegrieselns, das Sie dann im Fernseher sehen, aus dem All, stammen aus der Urknallstrahlung selbst. Wenn Sie also wüssten, was Sie da sehen, würden Sie sagen: Ich habe hier zwei weitere Bilder. Links unten sehen Sie Alpher und Herman. Sie arbeiteten mit George Gamow und waren diejenigen, die 1948 diese Berechnungen tatsächlich anstellten. Hier sehen Sie sie, wie sie zum Start ihres Satelliten erschienen, der eine weit genauere Messung vornahm und den Nobelpreis einbrachte. Rechts haben wir Sunjajew und Peebles, zwei moderne Theoretiker. Das ist eine kleine Erinnerung daran, dass kein Theoretiker bisher einen Preis für den Urknall gewonnen hat, aber bereits viele Beobachter. Ich möchte darauf hinweisen, dass aus dem Hubble’schen Gesetz, der geraden Linie in diesem Diagramm, folgt, dass es kein messbares Zentrum oder keinen messbaren Rand des Universums gibt. Sie könnten fragen, „nun, ich sehe wie sich all diese Galaxien von uns hier auf der Erde entfernen, folgt daraus nicht, dass wir uns im Zentrum befinden?" Und die Schlussfolgerung aus der Berechnung hier ist, dass jeder dieser Astronomen schließen würde, dass er oder sie sich im Mittelpunkt des Universums befindet. Daher gibt es keinen Mittelpunkt, den wir bestimmen könnten. Die Astronomen waren natürlich viele Generationen sehr damit beschäftigt, nach einem Mittelpunkt oder Rand Ausschau zu halten, aber wir haben keinen gefunden. Es gibt natürlich eine praktische Grenze. Wir können nicht weiter sehen als bis zur Zeit, die uns zugeteilt wurde, wenn wir hier seit 13,7 Milliarden Jahren existiert haben, heißt das, Sie können 13,7 Milliarden Lichtjahre in jede Richtung sehen und das ist die äußerste Entfernung die wir sehen können, denn wir schauen zurück auf den Anfang, wenn wir die am weitesten entfernten Dinge betrachten. Wir schauen in der Zeit zurück, wenn wir ferne Objekte betrachten. Daher ist es eine praktische Tatsache, dass es einen kleinen Teil des Universums gibt, den wir sehen können, und dass es darüber hinaus vermutlich noch viel mehr Universum gibt, das wir nicht sehen können, weil wir noch nicht lange genug existieren. Um es ganz deutlich zu machen, wir stellen uns vor, dass es Ursprungsmaterial gab. Möglicherweise unendlich in Ausdehnung, möglicherweise auch nicht. Ein kleiner Teil davon begann, sich durch einen merkwürdigen und bizarren quantenmechanischen Prozess auszudehnen. Eine der großen Herausforderungen in der modernen Physik ist es, diese anfängliche Periode der Zeit zu verstehen, von der wir glauben, dass damals Quantenmechanik und Gravitation zu einer Art Quantengravitationstheorie verschmolzen sein mussten. Und bis jetzt gibt es noch keine erfolgreiche Theorie. Viele Leute beschäftigen sich noch damit. Auf jeden Fall begann Materie nicht nur, sich bei der Ausdehnung von anderer Materie zu entfernen, sondern unsere Vorstellung ist, dass sich der Raum selbst ausdehnt. Nun, der Raum ist nicht notwendigerweise eine Substanz, wir wissen nicht, was Raum und Zeit an sich tatsächlich sind, aber vielleicht erhalten wir durch eine Theorie der Quantengravitation eine bessere Vorstellung davon. Auf jeden Fall begann das frühe Universum, sich mit exponentiell wachsender Geschwindigkeit auszudehnen. Es verdoppelte seine Größe ca. 100 Mal in einem sehr, sehr kurzen Augenblick der Zeit und führte zum sich ausdehnenden Universum von heute. Jetzt sagen wir, gut, wir sehen uns um und wir erkennen keine Ausdehnung unseres lokalen Universums. Das Sonnensystem dehnt sich nicht aus, die Galaxie dehnt sich nicht aus, nahe gelegene Galaxien entfernen sich nicht allesamt. Was also hat die Nicht-Ausdehnung unseres lokalen Teils möglich gemacht? Wir können wir existieren, wenn sich das ganze Universum ausdehnt? Die Vorstellung ist, dass einige Teile des frühen Universums dichter waren als andere und sie deshalb genug Selbstanziehung durch ihre eigenen Gravitationskräfte hatten, um der Ausdehnung entgegenzuwirken. Und so lautet die Geschichte, die anfängliche Materie muss leicht inhomogen gewesen sein, einige Teile dichter als andere, sodass die Gravitation die Ausdehnung in diesen Volumina stoppen, die Materie zurückfallen und Sterne und Galaxien entstehen lassen konnte. Natürlich haben wir nach der Entstehung eines Sterns all die Kernreaktionen innerhalb des Sterns, aus denen die anderen Elemente hervorgehen. Wie zuvor bereits erwähnt, gab es nur Wasserstoff und Helium nach dem Urknall, woher kamen also die chemischen Elemente, aus denen das Leben besteht? Sie stammen aus Sternen, die…, früheren Generationen von Sternen, die ihr Kernmaterial verbrannt haben und dann explodiert sind und die chemischen Elemente zurück in den Weltraum verteilt haben. Wir selbst sind also wieder aufbereitetes Material aus dem Inneren von Sternen. Wenn Sie morgens in den Spiegel schauen und die chemischen Elemente des Lebens sehen, sollten Sie daran denken, dass es diese beim Urknall nicht gab. Sie wurden erst im Inneren der Sterne gebildet. So können Sie sich also jeden Morgen mit Kosmologie beschäftigen, während Sie sich mit Ihrer Kosmetik beschäftigen. Ich habe hier einen kurzen Graphen, um die frühe Geschichte des Universums zusammenzufassen, wir haben ein anhand von Mikrowellen gemessenes Bild des Urknalls. Nach unserer Vorstellung bildeten sich die Galaxien durch Verschmelzung kleiner Objekte zu großen Objekten. Genau wie viele kleine Bäche zusammenkommen, um große Flüsse zu bilden. Unten links sehen Sie ein Bild unserer großen Nachbargalaxie, dem Andromedanebel, den Sie mit einem Fernglas ganz gut erkennen können. Er ist ungefähr so groß wie der Vollmond, nur nicht annähernd so hell. So am Anfang haben wir eine Geschichte, die… , der Urknall wurde von unserem amerikanischen Karikaturisten Calvin and Hobbs in „Horrendous Space Kablooie (Schreckliches Weltraumratazong)" umbenannt. Mir gefällt dieser Name tatsächlich besser als Urknall, denn er lässt vermuten, dass etwas Seltsames mit dem Raum selbst vor sich geht. Es ist mit der Vorstellung kompatibel, dass es eine Inflation gibt und der Raum selbst sich ausdehnt. Da wir nicht wissen, was Raum ist, ist das ein bisschen kompliziert, aber es ist eine andere Perspektive. Das Ursprungsmaterial gab uns also die chemischen Elemente Wasserstoff und Helium, rief das Universum mit seiner Ausdehnung ins Leben und gab uns die dunkle Materie, was wichtig ist. Wir würden ohne dunkle Materie nicht existieren. Und das alles geschah vor 13,75 Milliarden Jahren mit einem sehr kleinen Fehlerbalken. Wir befinden uns jetzt im Zeitalter der Präzisionskosmologie. Ich erwähnte zuvor, dass die Heliumkerne, die in den ersten paar Minuten entstanden…, dann dehnte sich das Universum aus und kühlte sich ab, als es etwa 389 000 Jahre alt war, die Elektronen fanden die Atomkerne und das überwiegend aus Gasen bestehende Material wurde neutral. Davor war es undurchsichtig wie ein Plasma und danach war es neutral und die Protonen der Hintergrundstrahlung konnten sich zu uns ausbreiten. Das Universum wurde transparent. So hypothetische Ereignisse auf dem Diagramm, die erste Sternengeneration, stellen wir uns als von der Sonne sehr verschieden und viel massereicher vor, sie wären sehr schnell ausgebrannt, in nur ein paar Millionen Jahren. Dann bildeten sich Galaxien und dann, am Ende hier, auf das ich deute, begann vor ungefähr 5 Milliarden Jahren das Universum erneut, sich zu beschleunigen und schneller und schneller zu werden. Das ist die Riesenüberraschung des letzten Jahrzehnts in der Astronomie, und es deutet ein wenig an, was am Ende des Universums geschehen könnte. Wir erkennen jetzt, dass das Universum beschleunigt und immer schneller wird, was bedeutet, dass in ein paar Milliarden Jahren die entfernten Galaxien so weit weg sein werden, dass die meisten für uns nicht mehr sichtbar sind. Ihre Rückzugsgeschwindigkeit wird weiter zunehmen und in 100 Milliarden Jahren oder so werden beinahe alle unsichtbar sein. Nicht nur die Sterne werden erlöschen, auch die Galaxien werden zu weit entfernt sein, als dass wir sie noch sehen könnten. Wir haben also ein paar Milliarden Jahre, bevor wir umziehen müssen. Die Grafik verdeutlicht ganz kurz, warum wir so viel über die Mikrowellenhintergrundstrahlung sprechen. Sie ist ein starker Überrest der Ursprungsmaterie, sie ist eine Materie, die wir sehr genau in jeder Richtung messen können, und rechts im Bild sehen Sie eine der Raumsonden, die derzeit dort draußen die Strahlung misst. Und die Eigenschaften der Mikrowellenstrahlung erwiesen sich als äußerst informativ. Ich habe keine Zeit, ins Detail zu gehen. Ich möchte Ihnen aber ein Bild des ersten Satelliten zeigen, der zur Messung dieser Strahlung gebaut wurde: das war der Satellit COBE (kurz für Cosmic Background Explorer). Bei mir entstand die Idee aus dem Scheitern meines Doktorarbeitsprojekts, das aus dem Versuch bestand, die kosmische Hintergrundstrahlung mithilfe einer Ballon-Nutzlast zu messen. Die Ballon-Nutzlast scheiterte aus einer Reihe von Gründen und ich schloss daraus, dass das Thema viel zu schwierig sei und ich das Thema aufgeben würde. Ein paar Monate später jedoch bemühte sich die NASA um Vorschläge für Satellitenmissionen und ich sagte zu meinem Berater, das Projekt meiner Doktorarbeit war kein Erfolg, aber es hätte vom Weltraum aus sehr viel besser geklappt. Wir hatten keine Ahnung, wie schwierig das Projekt sein würde, aber hier ist es, es wurde 15 Jahre später gestartet. Und hier ist es, wie es ein Künstler im Weltraum sehen würde. Dabei waren Instrumente, um die Mikrowellenstrahlung zu messen und um nach dem Licht der ersten Galaxien Ausschau zu halten. Ich werde Ihnen nur ein paar Dinge daraus zeigen. Hier ist das Spektrum der Mikrowellenstrahlung. Die Frequenz der Wellen, die Zyklen pro Zentimeter auf der horizontalen Achse, die Helligkeit in vertikaler Richtung. Sie sehen, dass all die kleinen Kästchen genau auf der Kurve liegen, wie das auch sein sollte, wenn die Urknalltheorie korrekt ist. Wir erhielten deshalb stehenden Applaus, als wir das der Astronomischen Gesellschaft zeigten. Ich war etwas überrascht, denn ich wusste, das war die richtige Antwort. Die Astronomen waren versammelt. Sie waren sehr besorgt gewesen, dass dies…, dass sich die Urknalltheorie als falsch erweisen könnte. Das war also eine enorme Erleichterung für die Leute. Dieses kleine Bild findet sich jetzt in allen Lehrbüchern. Unsere zweite Entdeckung bestand aus diesem Satz Karten des Himmels, wir wollen uns auf die Ellipse unten im Bild konzentrieren. Dies ist eine Karte, nachdem alle bekannten lokalen Auswirkungen herausgefiltert wurden, und die Flecken, die Objekte auf der Karte, sind die Schwankungen in der Ursprungstemperatur. Die winzigen Schwankungen in der Temperatur der Mikrowellenstrahlung von einem Ort zum anderen. Wie sich herausstellt, sind die kälteren Regionen auf dieser Karte diejenigen, die im frühen Universum dichter waren, und dies sind die Volumina, aus denen die Galaxien und Galaxienhaufen hervorgehen werden. Und die hellen Regionen, die rosafarbenen, sind diejenigen, die sich als leer erweisen werden. Dort zieht die Gravitation die Materie weg. Stephen Hawking sah dieses Bild. Er sagte, dies sei die wichtigste wissenschaftliche Entdeckung des Jahrhunderts, wenn nicht aller Zeiten. Ich nahm seine lobenden Worte dankbar an, aber natürlich gab es, glaube ich, noch ein paar andere Entdeckungen. Andererseits, wenn es diese Flecken nicht gäbe, würden wir nicht existieren, so vielleicht ist es tatsächlich wichtig. Es sind Jahre vergangen, es gibt jetzt viele Aktivitäten zur Erklärung der Statistik dieser Objekte, die Sie in den Karten sehen. Und dies ist eine theoretische Kurve, die zur Bestimmung bis hin zu einem Prozent Genauigkeit vieler kosmologischer Parameter verwendet und interpretiert wird. Ich habe keine Zeit, die Details zu erklären, aber ich wollte gerne zeigen, dass man aus den Formen dieser Objekte in der Mikrowellenkarte jede Menge lernen kann. Nun, die Zeit ist kurz, daher gehe ich auch sonst auf keine Details ein. Dies ist ein Bild von drei Leuten, die entdeckten, dass sich das Universum beschleunigt, und wir nannten den Grund dieser Beschleunigung Dunkle Energie. Nun, das bedeutet, dass wir keine Ahnung haben, was das ist. In ein paar Jahren hat vielleicht jemand eine korrekte Beschreibung, aber jetzt im Moment ist es nur eine Bezeichnung. Es bleiben noch ein paar Geheimnisse für uns über, Astronomen würden sagen, wir wissen, dass es nur Materie im Universum gibt. Es gibt keine Antimateriegalaxien. Teilchenphysiker wollen wissen, warum das wahr ist. Ich sagte bereits, dass es da draußen dunkle Materie gibt, viel mehr als es Atome und Moleküle gibt. Die Frage lautet, was ist die dunkle Energie, was ist sie tatsächlich, mehr als nur ein Name? Jeder möchte von den Astronomen wissen, hat Einstein recht mit seiner Relativität? Und natürlich sind wir damit beschäftigt, diese zu testen, aber wir haben noch keinen endgültigen Beweis. Und wir würden selbstverständlich gerne die Fragen nach unserer eigenen Geschichte beantworten. Wie entstand die Erde und wie kam es zu all den Umständen, die das Leben hier ermöglichen? Sind wir die einzigen Lebewesen im Universum? Ist es möglich, gibt es die natürlich nur entfernte Möglichkeit, mit anderen Lebewesen zu kommunizieren, und natürlich in Bezug auf unsere eigene Geschichte, was passiert als Nächstes? Astronomen verfolgen jetzt den Infrarotbereich der Beobachtungen im Weltraum. Ich zeige Ihnen das Projekt, an dem ich gerade arbeite. Wir würden sehr gerne in der Lage sein, die Infrarotstrahlung aus dem Weltall zu erforschen. Und das ist ein sehr schwieriges Projekt, da Infrarotstrahlung die Erdatmosphäre nicht sehr gut durchdringt, und da Teleskope ihre eigene Infrarotstrahlung emittieren. Auf der anderen Seite ist sie aus genau demselben Faktor interessant, aus dem Objekte bei Zimmertemperatur Infrarotstrahlung abgeben. Ihr Körper emittiert ca. 500 Watt an Infrarotstrahlung, so wie wir hier im Saal sitzen. Das Teleskop, an dem wir derzeit bauen, wird das James-Webb-Weltraumteleskop genannt, benannt nach dem Mann bei der NASA, der die Mondflüge organisierte, und das mit Erfolg. Dieses Teleskop wird in Zusammenarbeit europäischer und kanadischer Weltraumagenturen mit meiner Agentur, der NASA, in den Vereinigten Staaten gebaut. Wir sind beim Bau, der vor 15 Jahren begann, schon ein gutes Stück vorangekommen. Dieses Teleskop, das Sie hier sehen, sieht nicht wie ein gewöhnliches Teleskop aus. Es ähnelt mehr einem Sonnenenergiebündler. Stellen Sie es sich als Bündler galaktischer Energie vor, der Licht aus dem entfernten Universum bündelt und durch den riesigen sechseckigen Parabolspiegel auf den Instrumentenkasten unten konzentriert. Das große blaue System, das Sie unten sehen, ist ein Schirm, eine Sonnenblende, um das Teleskop vor der Sonne und der Erde zu schützen, damit es auskühlen kann. Das Teleskop arbeitet bei einer Temperatur von etwa 40 °K und es ist auch viel größer als die Rakete. Sie erkennen, dass es eine Struktur und nicht nur eine Röhre ist, ich habe kein Video für Sie, aber es klappt sich nach der Freigabe durch die Ariane-5-Rakete aus. Und mit etwas Glück hoffen wir, es 2014 zu starten. Ich werde Ihnen einfach ein paar der wissenschaftlichen Themen zeigen, die wir damit hoffentlich angehen werden. Ich wollte sicherstellen, dass wir alle lernen, wie man das Teleskop ausrichtet. Wie Sie alle wissen, war das Hubble-Weltraumteleskop nach seinem Start fehlerhaft und wurde von Astronauten repariert. Unser Teleskop wird viel weiter entfernt sein, eine Million Meilen von der Erde entfernt und es kann nicht repariert werden. Wir müssen es auf Anhieb richtig machen, daher üben wir. Wir haben dieses kleine Modell und dann bringen wir das Teleskop, das wir fliegen lassen werden, in diese riesige Testkammer in Houston, Texas, in der die Apollo-Astronauten übten, sich im Vakuum aufzuhalten. Ein paar Dinge, die ich über unser wissenschaftliches Programm zeigen möchte. Eine bemerkenswerte Entdeckung ist die, wie es uns Einstein vorausgesagt hatte, dass die Schwerkraft das Licht krümmen kann. Sie können in der rechten oberen Ecke des Bildes kaum erkennen, dass sich dort ein rosafarbener Bogen befindet, und der rosafarbene Bogen ist in Wirklichkeit das Bild einer sehr weit entfernten Galaxie, das durch die Gravitationsfelder dieser anderen Galaxien, die Sie im Bild sehen, vergrößert und verzerrt wurde. So hilft uns Einsteins Gravitation sogar noch weiter ins entfernte Universum hinauszusehen. Wir sind in der Lage zu verstehen, wie sich Galaxien bildeten, nicht, indem wir sie dabei beobachten, sondern durch Simulation. Unten rechts sehen wir eine Computersimulation, die einen Moment lang dem Bild echter Galaxien entspricht Bei der Verschmelzung ändern sie ihr Aussehen völlig. Übrigens nähert sich uns der Andromedanebel und wird das in ungefähr 5 Milliarden Jahren mit unserer Galaxie machen. Diese Projekte liegen vor uns. Gelegentlich werden wir Sterne explodieren sehen. Dies ist ein Bild, und rechts sehen Sie das Bild eines Sterns, der in den nächsten paar Hunderttausend Jahren ziemlich nahe bei uns explodieren wird. Links sehen Sie ein Konzept wie das vor sich gehen könnte. Überdies haben wir so etwas in der Art schon geschehen sehen. Nun, das ist selten, aber wahrscheinlich wie die ersten Sterne im Universum als sie explodierten. Ab und zu explodiert ein Stern und ein Strahl aus Materie kommt heraus und zielt auf uns. Dieser Materiestrahl bewegt sich beinahe mit Lichtgeschwindigkeit und ab und zu, wenn er in unsere Richtung zielt, bekommen wir einen Ausbruch an Gammastrahlung ab, der für etwa 2 Sekunden anhält. Und man erkannte erst in den letzten paar Jahren, dass dies die Quellen dafür sind. Das sind Sterne, die am Rande des Universums explodieren und zufällig auf uns gerichtet sind. Wir können diese Gammastrahlungen empfangen. Alle diese Dinge sind Mysterien, denen wir nachgehen und die wir versuchen werden, zu verstehen. Ein anderes, näheres Ziel für uns ist der Adlernebel. Wenn wir das Licht etwas dimmen könnten, wäre das bei diesen Bildern hilfreich, wenn das schnell genug geht. Auf jeden Fall ist das ein sehr berühmtes Bild vom Hubble-Weltraumteleskop und es zeigt…, könnten wir den Saal etwas abdunkeln, bitte…, Sie sehen diese wundervollen Bilder einer sternbildenden Region. Sterne wurden in diesen dunklen Materialwolken geboren und selbst das Hubble-Teleskop kann nicht hineinsehen, denn die dunklen Staubwolken sind undurchsichtig. Nun, wenn Sie Infrarotlicht einsetzen können, können Sie durch dieses staubige rote Material da drinnen hindurchsehen und erkennen, wo Sterne gerade geboren werden. Wir haben die Chance, viel mehr über das Entstehen von Sternen wie die Sonne zu erfahren, wenn wir nahe gelegene Wolken betrachten, in denen das gerade geschieht. Jack hat zuvor schon erwähnt, dass wir jetzt in der Lage sind, Aufnahmen von Planeten um andere Sterne herum zu machen, und wir haben hier ein Bild, das das veranschaulicht. Wir haben schließlich Hunderte Ziele, vielleicht sogar Tausende, und die Chance, was ich jetzt in der nächsten Grafik zeigen werde, etwas über die Chemie der Atmosphäre dieser Planeten herauszufinden. Der Film zeigt einen Planeten, der sich vor einen entfernten Stern bewegt, und Sie sollten sich vorstellen, dass ein kleines bisschen Sternenlicht auf seinem Weg zu unseren Teleskopen durch die Atmosphäre dieses Planeten hindurch geht. Das bedeutet, wir können eine Spektroskopie machen, wir können die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre eines anderen Planeten dadurch bestimmen. Und wir brauchen dazu kein Teleskop, das ein eigenes Bild dieses Planeten macht, wir können dazu ein Teleskop verwenden, das einfach nur die Veränderung des Lichts beobachtet, während der Planet ein wenig Sternenlicht abfängt. Ab und zu tritt auch das Gegenteil davon ein, der Planet wird durch diesen Stern verdunkelt, und beides wurde bereits mit Teleskopen im All aufgenommen. Mit unserem neuen Teleskop hoffen wir auf noch bessere Aufnahmen. Es ist nicht wahrscheinlich, dass unser Teleskop in der Lage sein wird, das bei einem erdähnlichen Planeten um einen sonnenähnlichen Stern herum zu machen, aber vielleicht eine zukünftige Generation von Sternwarten, die eigens für diesen Zweck gebaut werden. Wir sollten in der Lage sein zu erfahren, ob ein Planet um einen anderen Stern herum eine Atmosphäre wie die Erde mit Sauerstoff aufweist, und das wäre ein Hinweis darauf, dass dort Leben existiert. Es gibt ein kleines Taschenbuch, das herausgegeben wurde, das unsere Geschichte zusammenfasst, und das ist bei Amazon.com erhältlich. Und natürlich gibt es jede Menge Webseiten, die die allgemeinen Informationen unserer Geschichte vermitteln. Auf jeden Fall vielen Dank, dass Sie der Geschichte des Universums gelauscht haben und die Mysterien zu schätzen wissen, vor denen wir immer noch stehen.

John Mather (2010)

The History of the Universe, from the Beginning to the Ultimate End

John Mather (2010)

The History of the Universe, from the Beginning to the Ultimate End

Abstract

I will summarize the history of the universe, from the Big Bang through the formation of galaxies and the Solar System, and the history of the Earth and some of the special factors enabling the formation of life. Our future will be hot as the Sun gets brighter, and then dark as the Sun and all the other stars burn out and the universe continues to expand. Nobel-winning discoveries are key parts of the story, and more are yet to come, as the nature of the cosmic dark matter and dark energy are determined, and the details of the Big Bang are elucidated through further microwave studies. I will show some of the ambitious projects currently being built or planned to extend our knowledge of astronomy, including the James Webb Space Telescope.

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