a kozmológia az univerzum egész entitás természetének tanulmányozása. A kozmológia szó a görög kosmosból származik, amely harmóniát vagy rendet jelent. A kozmológusokat az univerzum és alkotóelemei kialakulása, evolúciója és jövője érdekli.
a legtöbb objektum, amelyet teleszkópokkal látunk, nagy vagy szélsőséges távolságokon létezik (pl. bolygók, csillagok, galaxisok, galaxishalmazok, sőt szuperklúziók)., A kozmológusok többsége úgy véli, hogy mindezek a tárgyak egy kezdeti, rendkívül forró és sűrű képződési esemény után alakultak ki, körülbelül 14 Gigayears ezelőtt, amely létrehozta (és továbbra is létrehozza) azt a helyet, amelyet körülöttünk látunk. Ezt az eseményt Big Bangnek hívják.
míg a forró Big Bang modell úgy tűnik, hogy sok mindent megmagyaráz, amit körülöttünk megfigyelünk, még mindig sok alapvető kérdés létezik. Miből áll az anyag nagy része az univerzumban? Mennyire gyakoriak a csillagok körüli bolygók? Mi okozza, hogy egyes galaxisok elliptikusak, spirálisak vagy szabálytalan alakúak?, Mi az univerzum geometriája? Mi a titokzatos sötét energia? Van-e kozmológiai állandó? Ez egy változó? Léteznek más univerzumok?
valamint a legnagyobb objektumok (pl. galaxisok és nagy léptékű szerkezet) tulajdonságai, a kozmológia egyre inkább a legkisebb objektumok tulajdonságaival foglalkozik.
annak meghatározásához, hogy mi történt az univerzum elején, a kozmológusoknak részecskefizikusok segítségére van szükségük. A Big Bang modell egy nagyon forró és sűrű kezdetet ír le az univerzumban, amelyben sok érdekes részecskefizikai jelenség fordul elő., Ezek a jelenségek befolyásolták az univerzum típusát, amelyben élünk.
a legkorábbi szakaszokban az univerzum rendkívül forró volt, és az anyag nem létezhet. Az univerzum sugárzás uralta. Az univerzum tágulása és lehűtése során elemi részecskék keletkeztek, amelyek később a legkönnyebb elemeket, például hidrogént, héliumot és lítiumot képezték. A nehezebb elemeknek meg kellett várniuk a csillagok képződését, hogy azok nukleoszintézis útján valósulhassanak meg a hatalmas csillagok magas hőmérsékletében, nyomásában és sűrűségközpontjaiban.,
a részecskefizika Standard modellje a 12 alapvető részecske (6 lepton és 6 kvark) és 3 erő (elektromágneses, gyenge és erős) matematikai leírása. Úgy gondolják, hogy ~10-11 másodperccel az ősrobbanás után mind a 4 (jelenlegi korszak) erő (a fent említett három plusz gravitáció) külön erővé vált. Azonban körülbelül ~10-43 másodperccel az ősrobbanás után (a Planck idő) mind a 4 erőt egyetlen erőre egyesítették. Az egymástól elválasztó erők folyamatát spontán szimmetria törésnek nevezik.,
az első kozmológusok babiloniak és egyiptomiak voltak, akik megfigyelték az eget, és akik meg tudták jósolni a nap, a hold, a legfényesebb csillagok és a bolygók látszólagos mozgását.
A 4. században a görög filozófusok arra a következtetésre jutottak, hogy a csillagokat egy égi gömbre rögzítették, amely a gömb alakú Föld körül forog. A bolygók, a nap és a Hold egy éternek nevezett folyékony anyagban mozogtak a Föld és a csillagok között.,
Credit: Swinburne
a 2.században Ptolemaiosz azon a véleményen alapult, hogy minden mozgás kör alakú volt. Annak érdekében, hogy figyelembe vegyék néhány bolygó mozgását, amelyek úgy tűnik, hogy visszatérnek magukra, Ptolemaiosz epiciklusokat vezetett be, hogy a bolygók körbe-körbe mozogjanak.
az új megfigyelések elméletben haladnak előre, az új elméletek pedig új megfigyeléseket ösztönözhetnek., Azonban sok évszázad telt el, amíg a kozmológia jelentős új fejlődése meg nem történt.
a 16. században Nicholas Copernicus egy heliocentrikus rendszert javasolt, amelyben a Föld a tengelyén elfordult, a többi bolygóval együtt keringett a Nap körül. De az idő megfigyelési bizonyítékai előnyben részesítették az epiciklus alapú Ptolemaiosz rendszert. A kopernikuszi rendszert néhányan támogatták, de a csillagfény aberrációjának felfedezése 1728-ban kétségtelenül bebizonyította, hogy a Föld kering a Nap körül!,
a 17. század elején Galileo Galilei felfedezte a Jupiter bolygó körül keringő holdakat. Világosan megmutatta, hogy a Föld nem volt különleges, és sokan hittek a Nap körül keringő bolygók kopernikuszi heliocentrikus modelljében. Isaac Newton ezután felfedezte a gravitációs erő inverz négyzet alakú törvényét, amely megmagyarázhatja a bolygók és üstökösök elliptikus pályáit a Naprendszerben. Az égi mozgások fizikai keretét találták meg.
Ha a Föld kering a Nap körül, akkor a közeli csillagok pozícióinak a háttérhez képest változniuk kell., A kezdeti megfigyelések azonban nem észleltek ilyen mozgást. A csillagok helyzetében megfigyelhető eltolódás vagy parallaxis hiánya, mivel a Föld a Nap körül kering, arra utalt, hogy a csillagoknak nagy távolságra kell lenniük a naptól. Newton arra a következtetésre jutott, hogy az univerzumnak a csillagok végtelen és örök tengerének kell lennie, mindegyik ugyanúgy, mint a saját napunk.
a 18. században két figyelemre méltó filozófus alakult ki hasonló ötletekkel. 1750-ben Thomas Wright felvetette, hogy a Tejútrendszer, a galaxis egy hatalmas forgó korong, amely csillagokból és bolygókból áll., Immanuel Kant 1755-ben írta meg az “Általános természettudományt és az ég elméletét”, amelyben azt javasolta, hogy a spirális ködök, az égbolton megfigyelt halvány ködös tárgyak külső galaxisok vagy a tejútrendszertől független szigeti univerzumok legyenek.
a fizikai kozmológia, a kozmológia kvantitatív változata Albert Einsteinnel kezdődött 1915-ben, amikor kifejlesztette az univerzum első jelentős modelljeit az általános relativitáselmélet megoldásaival. Ezeket a megoldásokat hozzáadta és továbbfejlesztette Alexander Freidmann, Willem de Sitter, Georges Lemaitre, H. P., Robertson és Arthur Geoffrey Walker. Ebben a szakaszban a csillagászok nem voltak tisztában a világegyetem tágulásával, Einstein pedig matematikai kifejezést, kozmológiai állandót vezetett be annak biztosítására, hogy univerzuma statikus legyen.,
Hitel: Steve Maddox, Majd Sutherland George Efstathiou, majd Jon Loveday
1912-Ben Henrietta Leavitt felfedezett Cepheid változó csillagok, a Magellán-Felhőket megerősítette, hogy a változók hosszabb ideig volt nagyobb luminosities. 1912-től a Lowell Observatory Vesto Slipher kezdett felhalmozódni a spirális ködök sebességével., Az 1920-as évek közepére ezeknek a ködöknek a túlnyomó többsége recessziós sebességgel rendelkezett, néhány ezer km/s sebességgel. nehéz volt ilyen szélsőséges sebességeket nem hozzárendelni a külső galaxisokhoz.
Az 1920-as évek közepére J. C. Duncan és Edwin Hubble Cepheid változó csillagokat is észlelt Messier 33, Messier 31 és NGC 6822-ben. Ezek a csillagok engedelmeskedtek egy időszak-fényesség viszonynak, amelyben változékonyságuk időszaka a belső fényességükhöz kapcsolódott., Miután egy kalibrációs közeli Cepheids ismert távolságok állapítottak meg a távolság minden változó lehet rendelni alapján kizárólag azt időszak variabilitás. E változó csillagok alapján a következtethető távolságok túl nagyok voltak ahhoz, hogy ezek a spirális ködök galaxisunk részévé váljanak. Ők maguk is galaxisok voltak. Wright és Kant igaza volt.
1929-ben a Hubble egy mérföldkőnek számító tanulmányt tett közzé, amely a galaxis távolsága és a megfigyelt radiális sebessége közötti összefüggést írta le., A távolabbi galaxisoknak nagyobb a rekeszsebességük (ahogy azt Vesto Slipher egy kisebb mintával látta). Lehet, hogy Lundmark és Lemaitre legyőzték Hubble-t erre a felfedezésre. H. P. Robertson volt az első, aki kozmikus terjeszkedésként jellemezte az eredményeket. Einstein ezután eldobta kozmológiai állandóját. Az univerzum nem statikus volt, hanem bővülő.
Az 1950-es években Hermann Bondi, Thomas Gold és Fred Hoyle terjesztette elő az univerzum állandósult állapotmodelljét., Ebben a modellben az anyag a tér vákuumából készült, és az univerzum minden irányban és bármikor ugyanúgy nézett ki. Filozófiailag elegáns, elkerülte az univerzum kezdetét és befejezését. Ez azonban tesztelhető volt. A rádióforrások megfigyelt fejlődése, majd később a kvazárok számának megfigyelt csúcssűrűsége, több milliárd fényévnyire, megkérdőjelezte az egyensúlyi állapot modelljét., Az 1960-as évek elején Arno Penzias és Robert Wilson nagyon halvány jelet észlelt a mikrohullámú régióban, amely ~3 K-os teljes égbolt sugárzásnak felel meg, amely 2 mm-es hullámhosszon csúcsosodik. Robert Dicke és munkatársai megjósolták egy ilyen jelet, a kozmikus hátteret, ha az univerzum forró, sűrű állapotban kezdődött.,
Hitel: A NASA/WMAP Tudományos Team
A 3 fok K sugárzás, hogy most észleli, amely körülbelül 300 000 évvel az ősrobbanás után, amikor az univerzum lehűlt volna elég plazma formájában gáz semleges atomok. Ezután a kozmikus háttérsugárzás fotonjai egyenes vonalakon (nekünk) haladtak anélkül, hogy az anyaggal kölcsönhatásba lépnének., További megfigyelések azt mutatták, hogy a sugárzás a nagyon forró eredetű várható fekete testforma volt, a hot Big Bang modellt pedig az előnyben részesített kozmológiai modellként újragyújtották. A kozmikus háttér mellett két másik megfigyelés is alátámasztja a Big Bang modellt. Az egyik az, hogy egy korai forró világegyetemben a nukleoszintézis helyesen adja meg a könnyű nukleáris izotópok, például a hidrogén, a deutérium, a hélium-3, a hélium-4 és a lítium-7 kozmikus bőségét. A második az univerzum megfigyelt kiterjedése volt, amelyet a távoli galaxisok mozgása sugallt.,
A Big Bang modell azonban nem tudta megmagyarázni az univerzum egyes megfigyeléseit. Ha több százmillió fényévnyi kockákra osztjuk a teret, akkor minden ilyen kocka hasonló lenne a tömegsűrűség, a galaxis sűrűsége és a koherens szerkezet mennyisége szempontjából. Ez a nagyszabású egységesség a távoli galaxis felmérésekben figyelhető meg., A standard Big Bang modellben azonban az univerzum olyan gyorsan fejlődik, hogy nincs idő ilyen hasonlóság megállapítására. Ezt a problémát horizontproblémának nevezik, ahol a horizontot arra használják, hogy jelezzék a legnagyobb távolságot, amelyet az információ vagy az energia áthaladhatott a Nagy Bumm pillanatától, tekintettel a fénysebesség állandóságának korlátozására. Egyszerűen fogalmazva, az univerzum majdnem homogén, izotróp, nagyon nagy méretekben.
a második probléma a laposság problémája. Az univerzum tömegsűrűsége szabályozza annak fejlődését és sorsát., Ha a tömegsűrűség meghaladja a kritikus sűrűséget, akkor a gravitáció elég erős lesz ahhoz, hogy megfordítsa a jelenlegi tágulást, és az univerzumnak van egy geometriája, amelyet zártnak neveznek. Ha a tömegsűrűség kisebb, mint a kritikus érték, az univerzum örökké tágulni fog, és az univerzumnak nyitott geometriája van. A tényleges tömegsűrűség aránya a kritikus értékhez Omega néven ismert. A relativitáselmélet általános elmélete azt jelenti, hogy az univerzum geometriája csak akkor euklideszi, ha az Omega pontosan 1,0, tehát az Omega = 1 univerzumot laposnak nevezik., Jelenleg úgy gondoljuk, hogy az Omega értéke jól illeszkedik az 1.0 10 tényezőjéhez. Ahhoz, hogy az Omega értéke ilyen közel legyen az 1.0-hoz ebben a korszakban, figyelemre méltó-ha kezdetben csak egy nagyon, kis összeg volt az 1.0-tól, akkor az evolúció mintegy 14 milliárd éve messze vitte volna ettől az értéktől ebben a jelenlegi korszakban. Minden célra az univerzum laposnak tűnik.
Hitel: NASA/GSFC Képzeld el, hogy az Univerzum
elmagyarázni, Hogy ezek a megfigyelt ‘probléma’, 1980-ban Alan Guth megállapította, hogy az időszak rendkívül gyors, exponenciális bővülését, az infláció’, körül történt 10-34 másodperccel az ősrobbanás után. Közvetlenül ezen inflációs időszak után a számunkra jelenleg látható univerzum sugara ~1 m volt. az univerzum ezután visszatért a normál (lineáris) tágulási módjához., Az infláció későbbi finomhangolását Andrei Linde, Andreas Albrecht és Paul Steinhardt végezte el, a jelenlegi verziók pedig több univerzumot tartalmaznak, amelyek mindegyike valamilyen típusú infláción megy keresztül (például kaotikus, örök). Az infláció összefügghet a stringelmélettel és a brane kozmológiával, amelyben a 4 dimenziós (3 térbeli, egyszeri dimenzió) brane egy sokkal magasabb dimenzió részhalmazának tekinthető.
a nagyon korai világegyetemi inflációs időszak, és fizikai okai összefügghetnek az univerzum közelmúltbeli megfigyelésével., A távoli nagy vöröseltolódású szupernóvák a vártnál kissé kevésbé fényesek, ami úgy értelmezhető, mint egy olyan univerzum, amely a gyorsított terjeszkedés fázisában van. A sötét energia egyfajta antigravitáció, amely ezt a gyorsulást hajtja.
a kozmológiai kutatások jelenlegi lokális területei közé tartozik a sötét anyag és a sötét energia jellege, az első csillagok és galaxisok keresése, a kozmikus háttér tulajdonságai, valamint a nagyméretű szerkezet numerikus szimulációi.