kosmologi er studiet af universets natur som en helhed. Ordet kosmologi er afledt af det græske kosmos, der betyder harmoni eller orden. Kosmologer er interesserede i universets og dets bestanddelers dannelse, udvikling og fremtid.de fleste objekter, vi kan se med teleskoper, er store eller findes i ekstreme afstande (f.eks. planeter, stjerner, galakser, klynger af galakser og endda superclusters)., Det er flertallet af kosmologer er, at alle disse genstande blev dannet efter en indledende, ekstremt varm og tæt formation begivenhed, omkring 14 Gigayears siden, der har skabt (og fortsat skaber) de rum, vi ser omkring os. Denne begivenhed kaldes Big Bang.selvom hot Big Bang-modellen ser ud til at forklare meget af det, vi observerer omkring os, er der stadig mange grundlæggende spørgsmål, der findes. Hvad er størstedelen af sagen i universet lavet af? Hvor almindelige er planeter omkring stjerner? Hvad får nogle galakser til at være elliptiske, spiral eller uregelmæssige i form?, Hvad er universets geometri? Hvad er den mystiske mørke energi? Er der en kosmologisk konstant? Er det en variabel? Eksisterer andre universer?
ud over egenskaberne for de største objekter (f.eks. galakser og storskala struktur) bliver kosmologi i stigende grad optaget af egenskaberne for de mindste objekter.
for at hjælpe med at bestemme, hvad der skete i begyndelsen af universet, har kosmologer brug for hjælp fra partikelfysikere. Big Bang-modellen beskriver en meget varm og tæt begyndelse til universet, hvor mange interessante partikelfysikfænomener forekommer., Disse fænomener har påvirket den type univers, vi lever i.
i de tidligste stadier var universet enormt varmt, og materie kunne ikke eksistere. Universet var stråling domineret. Efterhånden som universet ekspanderede og afkølede elementære partikler kunne dannes, som senere dannede de letteste elementer såsom brint, helium og lithium. Tungere grundstoffer måtte vente på, at stjerner blev dannet, så de kunne fremstilles via nukleosyntese i tunge stjerners høje temperatur -, tryk-og tæthedscentre.,
standardmodellen for partikelfysik er en matematisk beskrivelse af de 12 fundamentale partikler (6 leptoner og 6 kvarker) og 3 kræfter (elektromagnetiske, svage og stærke). Det menes, at ved ~10-11 sekunder efter Big Bang blev alle 4 (nuværende epoke) kræfter (de tre ovennævnte plus tyngdekraft) separate kræfter. Men på omkring ~10-43 sekunder efter Big Bang (Planck-tiden) blev alle 4 kræfter forenet til en enkelt kraft. Processen med de kræfter, der adskiller sig fra hinanden, kaldes spontan symmetribrud.,de første kosmologer var babylonere og egyptere, der observerede himlen, og som kunne forudsige de tilsyneladende bevægelser af Solen, Månen, de lyseste stjerner og planeterne.
i det 4.århundrede f. kr. udledte græske filosoffer, at stjernerne var fastgjort på en himmelsk sfære, der roterede om den sfæriske jord. Planeterne, solen og Månen bevægede sig i et flydende stof kaldet ether mellem Jorden og stjernerne.,
Kredit: Swinburne
I 2. århundrede E.KR Ptolemæus baseret sit arbejde på den overbevisning, at al bevægelse var cirkulære. For at tage højde for bevægelsen af nogle af de planeter, som synes at loop tilbage på sig selv, Ptolemæus indført epicycles således at planeterne flyttes i cirkler på cirkler.
nye observationer driver fremskridt i teorien, og nye teorier kan anspore til nye observationer., Men mange århundreder gik, indtil der opstod en betydelig ny udvikling inden for kosmologi.
i det 16.århundrede foreslog Nicholas Copernicus et heliocentrisk system, hvor jorden roterede på sin akse og sammen med de andre planeter kredsede solen. Men de observationelle beviser for tiden favoriserede det epicycle-baserede ptolemaiske system. Det kopernikanske system blev fremmet af nogle, men det var opdagelsen af aberration af starlight i 1728, der viste uden tvivl, at Jorden kredser om Solen!,
i begyndelsen af det 17.århundrede opdagede Galileo Galilei måner, der kredser om planeten Jupiter. Det viste tydeligt, at jorden ikke var speciel og fik mange til at tro på den kopernikanske heliocentriske model af planeter, der kredser om Solen. Isaac ne .ton opdagede derefter den inverse-firkantede lov for tyngdekraften, som kunne forklare de elliptiske kredsløb af planeter og kometer i solsystemet. En fysisk ramme for himmelske bevægelser var blevet fundet.
hvis jorden kredsede om Solen, skulle positionerne for nærliggende stjerner, sammenlignet med baggrunden, ændre sig., De første observationer registrerede imidlertid ikke nogen sådan bevægelse. Fraværet af observerbare skift eller parallakse i stjernernes positioner, da jorden kredsede om Solen, indebar, at Stjerner skal være i store afstande fra solen. Ne .ton konkluderede, at universet skal være et uendeligt og evigt hav af stjerner, hver meget som vores egen Sol.
i det 18.århundrede opstod to bemærkelsesværdige filosoffer med lignende ideer. I 1750 Thomas Thomasright foreslog, at Mælkevejen, galaksen, var et stort roterende disk bestående af stjerner og planeter., Immanuel Kant skrev “General Natural History and Theory of the Heaven” i 1755, hvor han foreslog, at spiraltågen, svage nebulous objekter observeret over himlen, var eksterne galakser eller øuniverser uafhængige af Mælkevejen.
fysisk kosmologi, den kvantitative version af kosmologi, begyndte med Albert Einstein i 1915, da han udviklede de første betydelige modeller af universet via løsningerne til hans generelle relativitetsteori. Disse løsninger blev tilføjet og forbedret af Alexander Freidmann, Willem de Sitter, Georges Lemaitre, H. P., Robertson og Arthur Geoffrey Walker. På det tidspunkt var astronomer ikke opmærksomme på universets udvidelse, og Einstein havde introduceret et matematisk udtryk, en kosmologisk konstant, for at sikre, at hans univers var statisk.,
Kredit: Steve Maddox, Vil Sutherland, George Efstathiou og Jon Loveday
I 1912 Henrietta Leavitt opdaget Cepheide-variable stjerner i de Magellanske Skyer og bekræftet, at de variabler, med længere perioder havde større luminosities. Fra 1912 og fremefter Vesto Slipher på Lo .ell Observatory begyndte at akkumulere hastigheder af spiral tåger., I midten af 1920 ‘ erne havde langt de fleste af disse tåger hastigheder af recession, nogle i tusindvis af km/s. det var svært ikke at tildele sådanne ekstreme hastigheder til eksterne galakser.i midten af 1920 ‘ erne havde J. C. Duncan og Ed .in Hubble også opdaget Cepheid-variable stjerner i Messier 33, Messier 31 og NGC 6822. Disse stjerner adlød et periode-Lysstyrkeforhold, hvor perioden for deres variation var relateret til deres iboende lysstyrke., Når en kalibrering af nærliggende cepheider med kendte afstande var blevet etableret en afstand til hver variabel kunne tildeles udelukkende baseret på det periode af variabilitet. Baseret på disse variable stjerner var de udledte afstande alt for store til at tillade disse spiraltåger at være en del af vores galakse. De var galakser i deres egen ret. Wright og Kant havde ret.
i 1929 Hubble offentliggjort en skelsættende papir, der er beskrevet en relation mellem afstanden til en galakse og dens observerede radial hastighed., Fjernere galakser har større recessional hastigheder (som var blevet set med en mindre prøve af Vesto Slipher). Der kan gøres en sag, som Lundmark og Lemaitre havde slået Hubble til denne opdagelse. H. P. Robertson var også den første til at beskrive resultaterne som kosmisk ekspansion. Einstein kastede derefter sin kosmologiske konstant væk. Universet var ikke statisk, men ekspanderende.
i 1950 ‘ erne fremsatte Hermann Bondi, Thomas Gold og Fred Hoyle universets Steady State-model., I denne model blev stof fremstillet af rummets vakuum, og universet så det samme ud i enhver retning og til enhver tid. Filosofisk elegant undgik det en start og afslutning på universet. Det var dog testbart. Den observerede udvikling af radiokilder, og senere den observerede top i antal tæthed af kvasarer, flere milliarder lysår fjernt, kaldte Steady State-modellen i tvivl., I begyndelsen af 1960’erne Arno Penzias og Robert Wilson har opdaget et meget svagt signal i mikrobølgeovn region, der svarer til all-sky stråling på ~3 grader K, der topper i intensitet ved en bølgelængde på 2 mm. Robert Dicke og samarbejdspartnere havde forudset et sådant signal, den Kosmiske Baggrund, hvis universet var begyndt i en varm og tæt tilstand.,
Kredit: NASA/SATELLITTEN Science Team
3 grader K stråling, som vi nu afsløre blev udsendt omkring 300.000 år efter Big Bang, da universet var afkølet nok til, at plasma-til at danne en gas af neutrale atomer. Derefter har fotonerne fra den kosmiske baggrundsstråling rejst på lige linjer (til os) uden at interagere med stof lige siden., Yderligere observationer viste, at strålingen var af den forventede blackbody-form for en meget varm oprindelse, og den varme Big Bang-model blev tændt igen som den foretrukne kosmologiske model. Sammen med den kosmiske baggrund understøtter to andre observationer Big Bang-modellen. Den ene er, at nukleosyntese i et tidligt varmt univers korrekt tegner sig for den kosmiske overflod af de lette nukleare isotoper, såsom brint, deuterium, helium-3, helium-4 og lithium-7. Den anden var den observerede udvidelse af universet som antydet af bevægelser af fjerne galakser.,
Men, Big Bang model ikke kunne forklare visse observationer af universet. Hvis vi opdeler rummet i terninger på flere hundrede millioner lysår, ville hver sådan terning se ens ud med hensyn til massetæthed, galaksetæthed og mængden af sammenhængende struktur. Denne store ensartethed observeres i fjerne galakseundersøgelser., I standard Big Bang-modellen Udvikler universet sig imidlertid så hurtigt, at der ikke er tid til at etablere en sådan lighed. Dette problem er kendt som Hori .on-problemet, hvor Hori .on bruges til at indikere den største afstand, som information eller energi kunne have krydset siden Big Bangs øjeblik, i betragtning af begrænsningen af lysets hastighed. Kort sagt, universet er næsten homogent og isotropisk på meget store skalaer.
det andet problem er fladhedsproblemet. Universets massetæthed styrer dets udvikling og skæbne., Hvis massetætheden overstiger en kritisk densitet, vil tyngdekraften være stærk nok til at vende den aktuelle ekspansion, og universet har en geometri, der kaldes lukket. Hvis massetætheden er mindre end den kritiske værdi, vil universet fortsætte med at udvide for evigt, og universet har en åben geometri. Forholdet mellem den faktiske massetæthed og den kritiske værdi er kendt som omega. Den generelle relativitetsteori indebærer, at universets geometri kun er euklidisk, hvis Omega er nøjagtigt 1, 0, så et omega = 1 univers kaldes fladt., På nuværende tidspunkt mener vi, at værdien af Omega ligger godt inden for en faktor på 10 af 1.0. For værdien af Omega at være så tæt på 1,0 i denne epoke er bemærkelsesværdig – hvis det oprindeligt kun var en meget, lille mængde væk fra 1,0, ville nogle 14 milliarder års evolution have drevet det langt væk fra denne værdi i denne nuværende epoke. Til alle formål ser universet fladt ud.
Kredit: NASA/GSFC Forestille sig Universet
for At forklare disse observerede ‘problemer’, i 1980 Alan Guth besluttet, at en periode med ekstremt hurtig eksponentiel ekspansion, ‘inflation’, opstod omkring 10-34 sekund efter Big Bang. Umiddelbart efter denne inflationsperiode havde universet, der for øjeblikket var synligt for os, en radius på ~1 m. universet vendte derefter tilbage til sin normale (lineære) ekspansionsmåde., Efterfølgende finjustering af inflationen er udført af Andrei Linde, Andreas Albrecht og Paul Steinhardt, og de nuværende versioner inkluderer multiuniverser, der alle gennemgår en eller anden form for inflation (f.eks. kaotisk, evig). Inflation kan være forbundet med strengteori og brane kosmologi, hvor vores 4-dimensionel (3 rumlige, en tidsdimension) brane kan betragtes som en delmængde af en meget højere dimension bulk.
den meget tidlige Universe inflation periode, og det er fysiske årsager, kan være relateret til en nylig observation af universet., Distant high redshift supernovaer synes at være lidt mindre lysende end forventet, hvilket kan fortolkes som et univers, der gennemgår en fase med accelereret ekspansion. Mørk energi er blevet postuleret som en slags anti-tyngdekraft, der driver denne acceleration.aktuelle aktuelle områder inden for kosmologisk forskning inkluderer arten af mørkt stof og mørk energi, søgen efter de første stjerner og galakser, egenskaber for den kosmiske baggrund og numeriske simuleringer af storskala struktur.