cosmologia este studiul naturii universului ca entitate întreagă. Cuvântul cosmologie este derivat din grecescul kosmos care înseamnă armonie sau ordine. Cosmologii sunt interesați de formarea, evoluția și viitorul Universului și al constituenților săi.majoritatea obiectelor pe care le putem vedea cu telescoapele sunt mari sau există la distanțe extreme (de exemplu, planete, stele, galaxii, grupuri de galaxii și chiar superclustere)., Punctul de vedere majoritar al cosmologilor este că toate aceste obiecte s-au format după un eveniment inițial, extrem de fierbinte și dens de formare, acum aproximativ 14 Gigayears, care a creat (și continuă să creeze) spațiul pe care îl vedem în jurul nostru. Acest eveniment se numește Big Bang.
în timp ce modelul hot Big Bang pare să explice o mare parte din ceea ce observăm în jurul nostru, există încă multe întrebări fundamentale care există. Din ce este formată majoritatea materiei din univers? Cât de comune sunt planetele în jurul stelelor? Ce face ca unele galaxii să aibă formă eliptică, spirală sau neregulată?, Care este geometria universului? Care este energia întunecată misterioasă? Există o constantă cosmologică? Este o variabilă? Există și alte universuri?pe lângă proprietățile celor mai mari obiecte (de exemplu, galaxiile și structura pe scară largă), cosmologia devine din ce în ce mai preocupată de proprietățile celor mai mici obiecte.pentru a ajuta la determinarea a ceea ce sa întâmplat la începutul universului, cosmologii au nevoie de ajutorul Fizicienilor de particule. Modelul Big Bang descrie un început foarte fierbinte și dens al universului în care apar multe fenomene interesante de fizică a particulelor., Aceste fenomene au influențat tipul de univers în care trăim.
în primele etape, universul era extrem de fierbinte și materia nu putea exista. Universul era dominat de radiații. Pe măsură ce universul s-a extins și a răcit, au putut fi create particule elementare, care ulterior au format cele mai ușoare elemente, cum ar fi hidrogenul, heliul și litiul. Elementele mai grele au trebuit să aștepte formarea stelelor, astfel încât acestea să poată fi formate prin nucleosinteză în centrele de temperatură, presiune și densitate ridicate ale stelelor masive.,modelul standard al fizicii particulelor este o descriere matematică a celor 12 particule fundamentale (6 leptoni și 6 cuarci) și 3 forțe (electromagnetice, slabe și puternice). Se crede că la ~10-11 secunde după Big Bang toate cele 4 forțe (epoca actuală) (cele trei menționate mai sus plus gravitația) au devenit forțe separate. Cu toate acestea, la aproximativ ~10-43 secunde după Big Bang (timpul Planck), toate cele 4 forțe au fost unificate într-o singură forță. Procesul forțelor care se separă unul de celălalt se numește rupere spontană de simetrie.,primii cosmologi au fost babilonienii și egiptenii care au observat cerul și care au putut prezice mișcările aparente ale Soarelui, Lunii, stelelor mai strălucitoare și planetelor.în secolul al IV-lea î. HR., filozofii greci au dedus că stelele erau fixate pe o sferă cerească care se rotea în jurul Pământului sferic. Planetele, soarele și Luna s-au mutat într-o substanță fluidă numită eter între Pământ și stele.,
Credit: Swinburne
În secolul 2 d Ptolemeu și-a bazat munca pe credința că orice mișcare a fost circulară. Pentru a explica mișcarea unora dintre planete, care par să se întoarcă asupra lor, Ptolemeu a introdus epicicluri astfel încât planetele să se miște în cercuri peste cercuri.
noile observații determină progrese în teorie, iar noile teorii pot stimula noi observații., Cu toate acestea, au trecut multe secole până când a apărut o nouă dezvoltare semnificativă în cosmologie.în secolul al XVI-lea, Nicolae Copernic a propus un sistem heliocentric în care Pământul s-a rotit pe axa sa și, împreună cu celelalte planete, a orbitat soarele. Dar dovezile observaționale ale timpului au favorizat sistemul Ptolemaic bazat pe epicicluri. Sistemul Copernican a fost promovat de unii, dar descoperirea aberației luminii stelare în 1728 a dovedit fără îndoială că Pământul orbitează în jurul Soarelui!,la începutul secolului al XVII-lea, Galileo Galilei a descoperit luni care orbitează planeta Jupiter. A arătat clar că Pământul nu era special și i-a făcut pe mulți să creadă în modelul heliocentric Copernican al planetelor care orbitează în jurul Soarelui. Isaac Newton a descoperit apoi legea inversă pătrată pentru forța gravitațională care ar putea explica orbitele eliptice ale planetelor și cometelor din Sistemul Solar. A fost găsit un cadru fizic pentru mișcările celeste.dacă pământul a orbitat soarele, atunci pozițiile stelelor din apropiere, în comparație cu fundalul, ar trebui să se schimbe., Cu toate acestea, observațiile inițiale nu au detectat nici o astfel de mișcare. Absența oricărei deplasări sau paralaxe observabile în pozițiile stelelor pe măsură ce Pământul orbitează Soarele a sugerat că stelele trebuie să se afle la distanțe mari de soare. Newton a ajuns la concluzia că universul trebuie să fie o mare infinită și eternă de stele, fiecare la fel ca propriul nostru Soare.în secolul al XVIII-lea, doi filozofi notabili au apărut cu idei similare. În 1750, Thomas Wright a sugerat că Calea Lactee, galaxia, era un vast disc de filare format din stele și planete., Immanuel Kant a scris „Istoria Naturală generală și teoria Cerurilor” în 1755 în care a sugerat că nebuloasele spirale, obiecte nebuloase slabe observate pe cer, erau galaxii externe sau universuri insulare independente de Calea Lactee.cosmologia fizică, versiunea cantitativă a cosmologiei, a început cu Albert Einstein în 1915, când a dezvoltat primele modele substanțiale ale universului prin soluțiile la teoria sa generală a relativității. Aceste soluții au fost adăugate și îmbunătățite de Alexander Freidmann, Willem de Sitter, Georges Lemaitre, H. P., Robertson și Arthur Geoffrey Walker. În acea etapă astronomii nu erau conștienți de expansiunea universului, iar Einstein a introdus un termen matematic, o constantă cosmologică, pentru a se asigura că universul său era static.,
Credit: Steve Maddox, Va Sutherland, George Efstathiou și Jon Loveday
În 1912 Henrietta Leavitt a descoperit Cepheid stele variabile în Nori ai lui Magellan și a confirmat faptul că variabilele cu perioade mai lungi avut mai mare luminosities. Din 1912 încoace Vesto Slipher la Observatorul Lowell a început să acumuleze viteze de nebuloase spirale., Până la mijlocul anilor 1920, marea majoritate a acestor nebuloase aveau viteze de recesiune, unele în mii de km/s. era dificil să nu se atribuie astfel de viteze extreme galaxiilor externe.până la mijlocul anilor 1920, J. C. Duncan și Edwin Hubble au detectat, de asemenea, stele variabile Cepheid în Messier 33, Messier 31 și NGC 6822. Aceste stele au respectat o relație perioadă-luminozitate în care perioada variabilității lor a fost legată de luminozitatea lor intrinsecă., Odată ce a fost stabilită o calibrare a Cepheidelor din apropiere cu distanțe cunoscute, o distanță față de fiecare variabilă ar putea fi atribuită exclusiv pe baza perioadei de variabilitate. Pe baza acestor stele variabile, distanțele deduse erau mult prea mari pentru a permite acestor nebuloase spirale să facă parte din galaxia noastră. Erau galaxii de sine stătătoare. Wright și Kant au avut dreptate.în 1929 Hubble a publicat o lucrare de referință care descrie o relație între distanța față de o galaxie și viteza sa radială observată., Galaxiile mai îndepărtate au viteze recesionale mai mari (așa cum a fost observat cu un eșantion mai mic de către Vesto Slipher). Se poate face un caz că Lundmark și Lemaitre l-au bătut pe Hubble la această descoperire. De asemenea, H. P. Robertson a fost primul care a descris rezultatele ca expansiune cosmică. Einstein și-a aruncat apoi constanta cosmologică. Universul nu era static, ci se extindea.în anii 1950, Hermann Bondi, Thomas Gold și Fred Hoyle au prezentat modelul de echilibru al universului., În acest model, materia a fost făcută din vidul spațiului, iar universul arăta la fel în orice direcție și în orice moment. Elegant filosofic, a evitat un început și un sfârșit al universului. A fost, totuși, testabil. Evoluția observată a surselor radio și, mai târziu, vârful observat în densitatea numerică a quasarilor, la câteva miliarde de ani lumină distanță, a pus în discuție modelul de stare constantă., La începutul anilor 1960, Arno Penzias și Robert Wilson detectat un semnal slab în regiune cu microunde corespunzătoare tuturor-nori de radiație de la ~3 grade K vârfuri că în intensitate de la o lungime de undă de 2 mm. Robert Dicke și colaboratorii au prezis un astfel de semnal, Cosmice de Fond, dacă universul a început într-o stare fierbinte, dens.,
Credit: NASA/WMAP Echipă de Știință
3 grade K radiații care acum detecta fost emise aproximativ 300.000 de ani după Big Bang, când universul s-a răcit suficient pentru plasmă, pentru a forma un gaz de atomi neutri. După aceea, fotonii radiației cosmice de fond au călătorit pe linii drepte (către noi) fără să interacționeze cu materia de atunci., Observații suplimentare au arătat că radiația era de forma așteptată a corpului negru pentru o origine foarte fierbinte, iar modelul hot Big Bang a fost reaprins ca model cosmologic preferat. Împreună cu fundalul Cosmic, alte două observații stau la baza modelului Big Bang. Unul este că nucleosinteza într-un univers fierbinte timpuriu reprezintă corect abundența cosmică a izotopilor nucleari ușori, cum ar fi hidrogenul, deuteriul, heliul-3, heliul-4 și litiul-7. A doua a fost expansiunea observată a universului, așa cum este implicată de mișcările galaxiilor îndepărtate.,
cu toate Acestea, modelul Big Bang-ului nu a putut explica anumite observații ale universului. Dacă împărțim spațiul în cuburi de câteva sute de milioane de ani-lumină, fiecare astfel de cub ar arăta similar în ceea ce privește densitatea de masă, densitatea galaxiei și cantitatea de structură coerentă. Această uniformitate pe scară largă este observată în sondajele galaxiilor îndepărtate., Cu toate acestea, în modelul standard Big Bang, universul evoluează atât de repede încât nu există timp pentru stabilirea unei astfel de asemănări. Această problemă este cunoscută sub numele de problema orizontului în care orizontul este folosit pentru a indica cea mai mare distanță pe care informația sau energia ar fi putut-o parcurge din momentul Big Bang-ului, având în vedere restricția constanței vitezei luminii. Mai simplu spus, universul este aproape omogen și izotropic pe scări foarte mari.a doua problemă este problema planeității. Densitatea de masă a universului îi guvernează evoluția și soarta., Dacă densitatea de masă depășește o densitate critică, atunci gravitația va fi suficient de puternică pentru a inversa expansiunea curentă, iar universul are o geometrie care se numește închisă. Dacă densitatea de masă este mai mică decât valoarea critică, universul va continua să se extindă pentru totdeauna, iar universul are o geometrie deschisă. Raportul dintre densitatea reală a masei și valoarea critică este cunoscut sub numele de Omega. Teoria generală a relativității implică faptul că geometria universului este euclidiană numai dacă Omega este exact 1, 0, deci un univers Omega = 1 este numit plat., În prezent, credem că valoarea Omega să fie bine într-un factor de 10 de 1.0. Pentru ca valoarea Omega să fie atât de aproape de 1.0 în această epocă este remarcabil – dacă ar fi fost inițial doar o cantitate foarte mică de 1.0, aproximativ 14 miliarde de ani de evoluție ar fi îndepărtat-o bine de această valoare în această epocă actuală. Pentru toate scopurile, universul pare plat.
Credit: NASA/GSFC Imagina Universul
Pentru a explica aceste observate de „probleme”, în 1980 Alan Guth a stabilit că, o perioadă extrem de rapidă expansiune exponențială, „inflația”, a avut loc în jurul 10-34 secunde după Big Bang. Imediat după această perioadă inflaționistă, universul vizibil în prezent pentru noi avea o rază de ~1 m. universul a revenit apoi la modul său normal (liniar) de expansiune., Ajustarea ulterioară a inflației a fost realizată de Andrei Linde, Andreas Albrecht și Paul Steinhardt, iar versiunile actuale includ mai multe universuri, toate supuse unui anumit tip de inflație (de exemplu, haotic, etern). Inflația poate fi legată de teoria corzilor și de cosmologia branei, în care Brana noastră 4 dimensională (3 spațială, o singură dimensiune) poate fi considerată ca un subset al unei dimensiuni mult mai mari.
perioada foarte timpurie a inflației universului, și cauzele sale fizice, poate fi legată de o observație recentă a universului., Supernovele îndepărtate de mare viteză roșie par a fi puțin mai puțin luminoase decât se aștepta, ceea ce poate fi interpretat ca un univers care trece printr-o fază de expansiune accelerată. Energia întunecată a fost postulată ca un fel de anti-gravitație care conduce această accelerație.domeniile actuale de actualitate în cercetarea cosmologică includ natura materiei întunecate și a energiei întunecate, căutarea primelor stele și galaxii, proprietățile fundalului cosmic și simulările numerice ale structurii la scară largă.