kosmologie je studium povahy vesmíru jako celku. Slovo kosmologie je odvozeno od řeckého kosmosu, což znamená harmonii nebo pořádek. Kosmologové se zajímají o formování, vývoj a budoucnost vesmíru a jeho složek.
Většina objektů můžeme vidět s dalekohledy jsou velké nebo existují na extrémní vzdálenosti (např. planety, hvězdy, galaxie, kupy galaxií a ještě superclusters)., Většinový názor kosmologů je, že všechny tyto objekty byly vytvořeny po počátečním, velmi horké a husté formace událostí, o 14 Gigayears lety, že vytvořil (a stále vytvářejí) prostor, který vidíme kolem nás. Tato událost se nazývá Velký třesk.
zatímco se zdá, že model hot Big Bang vysvětluje hodně z toho, co pozorujeme kolem nás, stále existuje mnoho základních otázek. Z čeho je většina hmoty ve vesmíru vyrobena? Jak časté jsou planety kolem hvězd? Co způsobuje, že některé galaxie mají eliptický, spirální nebo nepravidelný tvar?, Jaká je geometrie vesmíru? Jaká je tajemná temná energie? Existuje kosmologická konstanta? Je to proměnná? Existují jiné vesmíry?
stejně jako vlastnosti největších objektů (např. galaxie a rozsáhlá struktura) se kosmologie stále více zabývá vlastnostmi nejmenších objektů.
Chcete-li zjistit, co se stalo na začátku vesmíru, kosmologové potřebují pomoc fyziků částic. Model velkého třesku popisuje velmi horký a hustý začátek vesmíru, ve kterém dochází k mnoha zajímavým jevům fyziky částic., Tyto jevy ovlivnily Typ vesmíru, ve kterém žijeme.
v nejranějších fázích byl vesmír nesmírně horký a hmota nemohla existovat. Vesmír byl ovládán radiací. Jak vesmír expandoval a chlazené elementární částice by mohly být vytvořeny, který později tvořil nejlehčí prvky, jako je vodík, helium a lithium. Těžší prvky museli čekat na hvězdy, aby formulář tak, aby mohly být provedeny prostřednictvím nucleosynthesis v vysoká teplota, tlak a hustota středisek masivní hvězdy.,
Standardní Model částicové fyziky je matematický popis 12 základních částic (6 leptony a 6 kvarky) a 3 síly (elektromagnetické, slabé a silné). Předpokládá se, že v ~10-11 sekund po Velkém třesku se všechny 4 (současná epocha) síly (tři výše uvedené plus gravitace) staly samostatnými silami. Nicméně kolem ~10-43 sekund po Velkém třesku (Planckův čas) byly všechny 4 síly sjednoceny do jedné jediné síly. Proces sil oddělujících se od sebe se nazývá spontánní narušení symetrie.,
první kosmologové byli Babyloňané a Egypťané, kteří pozorovali oblohu a kteří mohli předvídat zjevné pohyby Slunce, Měsíce, nejjasnějších hvězd a planet.
Ve 4. století před naším LETOPOČTEM řečtí filozofové odvodit, že hvězdy jsou upevněny na nebeské sféře, který se otáčel o kulatost Země. Planety, Slunce a měsíc se pohybovaly v tekuté látce zvané éter mezi Zemí a hvězdami.,
Kredit: Swinburne
Ve 2. století našeho letopočtu Ptolemaios svou práci založenou na přesvědčení, že celý návrh byl kruhový. K účtu pro pohyb některých planet, které se zdají smyčky zpět na sebe, Ptolemaios představil epicycles tak, že planety se pohybuje v kruzích na kruzích.
nová pozorování vedou k pokroku v teorii a nové teorie mohou vyvolat nová pozorování., Nicméně mnoho staletí uplynulo, dokud nenastal významný nový vývoj v kosmologii.
V 16. století Mikuláš Koperník navrhl heliocentrický systém, v němž se Země otáčí kolem své osy, a spolu s dalšími planetami obíhá kolem Slunce. Pozorovací důkazy té doby však upřednostňovaly ptolemaický systém založený na epicyklu. Copernican systém byl podporován některými, ale to byl objev aberace starlight v roce 1728, který bezpochyby dokázal, že Země obíhá kolem Slunce!,
Na počátku 17. století Galileo Galilei objevil měsíce obíhající kolem planety Jupiter. To jasně ukázalo, že Země není zvláštní a dělal mnoho věřit v Koperníkův heliocentrický model planet obíhajících kolem Slunce. Isaac Newton pak objevil inverzní čtvercový zákon pro gravitační sílu, která by mohla vysvětlit eliptické dráhy planet a komet ve sluneční soustavě. Byl nalezen fyzický rámec pro nebeské pohyby.
Pokud země obíhala kolem Slunce, měly by se změnit polohy blízkých hvězd ve srovnání s pozadím., Počáteční pozorování však žádný takový pohyb nezjistilo. Absence jakékoliv pozorovatelné shift nebo paralaxy v polohách hvězd jako Země obíhá kolem Slunce znamenalo, že hvězdy musí být ve velkých vzdálenostech od Slunce. Newton dospěl k závěru, že vesmír musí být nekonečné a věčné moře hvězd, každý podobně jako naše vlastní slunce.
v 18. století se objevili dva významní filozofové s podobnými myšlenkami. V roce 1750 Thomas Wright navrhl, že Mléčná dráha, galaxie, byl obrovský rotující disk sestávající z hvězd a planet., Immanuel Kant napsal „Všeobecná Přírodní Historie a Teorie Nebes“ v roce 1755, ve kterém on navrhl, že spirální mlhoviny, slabé mlhavé objekty pozorovanými na obloze, byly vnějších galaxií nebo ostrovní vesmíry nezávislé Mléčné dráhy.
Fyzikální kosmologie, kvantitativní verze kosmologie, začal Albert Einstein v roce 1915, kdy byl vyvinut první významné modely vesmíru prostřednictvím řešení jeho Obecné Teorie Relativity. Tato řešení byla přidána a vylepšena Alexander Freidmann, Willem de Sitter, Georges Lemaitre, H. P., Robertson a Arthur Geoffrey Walker. V této fázi astronomové nebyli vědomi expanze vesmíru, a Einstein zavedl matematický pojem, kosmologickou konstantu, aby zajistil, že jeho vesmír je statický.,
Kredit: Steve Maddox, Se Sutherland, George Efstathiou a Jon Loveday
V roce 1912 Henrietta Leavittová objevila Cefeidy proměnné hvězdy v Magellanova Mračna a potvrdil, že proměnné s delší období, měl větší zářivý výkon. Od roku 1912 začal Vesto Slipher na Lowellově observatoři hromadit rychlosti spirálních mlhovin., V polovině-1920 drtivá většina těchto mlhovin měl rychlostí recese, někteří v tisíce km/s. Bylo to velice těžké přiřadit takové extrémní rychlosti na vnějších galaxií.
v polovině 1920 J. C. Duncan a Edwin Hubble byl také zjištěn Cefeidy proměnné hvězdy v Messier 33, Messier 31 a NGC 6822. Tyto hvězdy poslouchaly vztah Period-Luminosity, ve kterém období jejich variability souviselo s jejich vnitřním jasem., Jakmile byla stanovena kalibrace blízkých Cepheidů se známými vzdálenostmi, mohla být vzdálenost ke každé proměnné přiřazena pouze na základě její variability. Na základě těchto proměnných hvězd byly odvozené vzdálenosti příliš velké, aby umožnily, aby tyto spirální mlhoviny byly součástí naší Galaxie. Byly to galaxie samy o sobě. Wright a Kant měli pravdu.
v roce 1929 vydal Hubble mezník, který popsal vztah mezi vzdáleností k galaxii a její pozorovanou radiální rychlostí., Vzdálenější galaxie mají větší recesivní rychlosti (jak bylo vidět u menšího vzorku Vesto Slipher). Lze učinit případ, že Lundmark a Lemaitre porazili Hubblea k tomuto objevu. Také H. P. Robertson byl první, kdo popsal výsledky jako kosmickou expanzi. Einstein pak zahodil svou kosmologickou konstantu. Vesmír nebyl statický, ale rozšiřující se.
v padesátých letech Hermann Bondi, Thomas Gold a Fred Hoyle předložili Model ustáleného stavu vesmíru., V tomto modelu byla hmota vyrobena z vakua vesmíru a vesmír vypadal stejně v jakémkoli směru a kdykoli. Filozoficky elegantní, vyhýbal se startu a dokončení vesmíru. Bylo to však testovatelné. Pozorovaný vývoj rádiové zdroje a později pozorované vrcholu v číslo hustota kvasarů, několik miliard světelných let vzdálené, tzv. Steady State modelu zpochybnit., V časných 1960 Arno Penzias a Robert Wilson detekován velmi slabý signál v mikrovlnné oblasti, odpovídající all-sky záření v ~3 stupně K, který vrcholy intenzity na vlnové délce 2 mm. Robert Dicke a spolupracovníků předpovídal takový signál, Kosmické Pozadí, pokud vesmír začal v horkém a hustém stavu.,
Kreditní: NASA/WMAP vědeckého Týmu
3 stupňů K záření, které jsme nyní zjistit emitováno asi 300.000 let po Velkém Třesku, kdy vesmír se ochladil dost pro plazmové tvořit plynu z neutrálních atomů. Poté fotony kosmického záření pozadí cestovaly po přímých liniích (k nám), aniž by od té doby interagovaly s hmotou., Další pozorování ukázala, že radiace byla očekávaného černého formulář pro velmi horké původu a sexy model Velkého Třesku byl re-vzplanul jako preferovaný kosmologický model. Spolu s kosmickým pozadím jsou dvě další pozorování základem modelu velkého třesku. Jeden je, že nucleosynthesis v raném horkém vesmíru správně účty pro kosmické hojnosti světla jaderné izotopy, například vodíku, deuteria, helia-3, helium-4, a lithia-7. Druhým bylo pozorované rozšíření vesmíru, jak vyplývá z pohybů vzdálených galaxií.,
Nicméně, model Velkého Třesku nemohl vysvětlit některá pozorování vesmíru. Pokud rozdělíme prostor na kostky několika set milionů světelných let, každá taková krychle by vypadala podobně, pokud jde o hustotu hmoty, hustotu galaxie a množství koherentní struktury. Tato rozsáhlá uniformita je pozorována ve vzdálených průzkumech galaxií., Ve standardním modelu velkého třesku se však vesmír vyvíjí tak rychle, že na takovou podobnost není čas. Tento problém je známý jako horizont problém, kde horizont se používá k označení největší vzdálenost, kterou informace nebo energie mohl projet od okamžiku Velkého Třesku, vzhledem k omezení stálost rychlosti světla. Jednoduše řečeno, vesmír je téměř homogenní a izotropní na velmi velkých měřítcích.
druhým problémem je problém rovinnosti. Hmotnostní hustota vesmíru řídí jeho vývoj a osud., Pokud hmotnostní hustota překročí kritickou hustotu, pak gravitace bude dostatečně silná, aby zvrátila současnou expanzi a vesmír má geometrii, která se nazývá uzavřená. Pokud je hmotnostní hustota menší než kritická hodnota, vesmír se bude navždy rozšiřovat a vesmír má otevřenou geometrii. Poměr skutečné hustoty hmotnosti k kritické hodnotě je známý jako Omega. Obecná teorie Relativity znamená, že geometrie vesmíru je euklidovská, pouze pokud je Omega přesně 1,0, takže vesmír Omega = 1 se nazývá plochý., V současné době se domníváme, že hodnota Omega je dobře v faktoru 10 z 1.0. Pro hodnotu Omega být v blízkosti 1.0 v této epoše je pozoruhodná – pokud to bylo zpočátku jen velmi malé množství od 1.0 přibližně 14 miliard let evoluce by to dotáhl daleko od této hodnoty, v současné epochy. Pro všechny účely se vesmír jeví jako plochý.
Kredit: NASA/GSFC Představte si, že Vesmír
vysvětlit tyto pozorované „problémů“, v roce 1980 Alan Guth stanoveno, že období extrémně rychlý exponenciální expanze, „inflace“, došlo kolem 10-34 sekundy po Velkém Třesku. Ihned po tomto inflačním období měl vesmír, který je pro nás v současné době viditelný, poloměr ~1 m. vesmír se pak vrátil do normálního (lineárního) režimu expanze. , Následné doladění inflace byla provedena Andrei Linde, Andreas Albrecht a Paul Steinhardt, a aktuální verze patří multi-vesmírů všech podstupuje nějaký typ inflace (např. chaotické, věčný). Inflace může být spojeno s teorií strun a brán kosmologie, ve které náš 4-rozměrný (3 prostorové, jeden časový rozměr) brány lze považovat za podmnožinu mnohem vyšší dimenze velkém.
velmi rané období inflace vesmíru a jeho fyzické příčiny mohou souviset s nedávným pozorováním vesmíru., Vzdálené supernovy s vysokým redshiftem se zdají být o něco méně světelné, než se očekávalo, což lze interpretovat jako vesmír, který prochází fází zrychlené expanze. Temná energie byla postulována jako druh antigravitace, která pohání toto zrychlení.
Aktuální lokální oblastí v kosmickém výzkumu zahrnují povahu temné hmoty a temné energie, hledání prvních hvězd a galaxií, vlastnosti kosmického pozadí, a numerické simulace ve velkém měřítku konstrukce.