Cosmologia fizică

(Nașterea Universului creat din noua ani de date WMAP. Imaginea dezvăluie fluctuații de temperatură vechi de 13,77 miliarde de ani (prezentate ca diferențe de culoare) care corespund germenilor care au devenit galaxii. Semnalul din galaxia noastră a fost scăzut folosind date multi-frecvență. Această imagine prezintă un interval de temperatură de ± 200 microKelvin.)

Cosmologia fizică este o ramură a cosmologiei care se ocupă de studiile structurilor la cea mai mare scală și a dinamicii universului, și de întrebări fundamentale despre originea, structura, evoluția și soarta acestuia. Cosmologia ca știință provine din principiul copernican, ceea ce implică faptul că corpurile celeste se supun legilor fizice identice cu cele de pe Pământ și mecanicii newtoniene, care au permis pentru prima dată să fie înțelese aceste legi fizice. Cosmologia fizică, așa cum se înțelege acum, a început odată cu dezvoltarea teoriei generale a relativității lui Albert Einstein în 1915, urmată de descoperiri observaționale majore în anii 1920: mai întâi, Edwin Hubble a descoperit că universul conține un număr imens de galaxii externe dincolo de Calea Laptelui; apoi, lucrările lui Vesto Slipher și ale altora a arătat că universul se extinde. Aceste progrese au făcut posibilă speculația despre originea universului și au permis ca teoria Big Bang, a lui Georges Lemaître, să fie modelul cosmologic principal. Unii cercetători încă susțin câteva cosmologii alternative; cu toate acestea, majoritatea cosmologilor sunt de acord că teoria Big Bang explică mai bine observațiile.

Progresele dramatice ale cosmologiei observaționale începând cu anii 1990, inclusiv fundalul cosmic de microunde, supernovele îndepărtate și monitorizarea deplasării spre roșu a galaxiilor, au dus la dezvoltarea unui model standard al cosmologiei. Acest model cere ca universul să conțină cantități mari de materie întunecată și energie întunecată, a căror natură nu este în prezent bine înțeleasă, dar modelul oferă previziuni detaliate care sunt în acord excelent cu multe observații diverse.

Cosmologia se bazează în mare măsură pe munca multor domenii disparate de cercetare în domeniul fizicii teoretice și aplicate. Domeniile relevante pentru cosmologie includ experimentele fizice ale particulelor și teoria aferentă, astrofizica teoretică și observațională, relativitatea generală, mecanica cuantică și fizica plasmei.

Istoricul subiectului

Cosmologia modernă a evoluat de-a lungul timpului cu teoria în tandem cu observarea. În 1916, Albert Einstein a publicat teoria relativității generale, care a oferit o descriere unificată a gravitației ca proprietate geometrică a spațiului și a timpului. La acea vreme, Einstein credea într-un univers static, dar a constatat că formularea sa inițială a teoriei nu a permis acest lucru. Acest lucru se datorează faptului că masele distribuite în univers atrag gravitațional și se deplasează reciproc în timp. Cu toate acestea, el a realizat că ecuațiile sale au permis introducerea unui termen constant care ar putea contracara forța atractivă a gravitației la scara cosmică. Einstein a publicat prima sa lucrare despre cosmologia relativistă în 1917, în care a adăugat această constantă cosmologică la ecuațiile sale de câmp pentru a le forța să modeleze un univers static. Modelul Einstein descrie un univers static; spațiul este finit și neîngrădit (analog cu suprafața unei sfere, care are o suprafață finită, dar fără margini). Totuși, acest așa numit model Einstein este instabil pentru perturbări mici – în cele din urmă va începe să se extindă sau să se contracteze. Mai târziu s-a constatat că modelul lui Einstein era doar unul dintr-un set mai larg de posibilități, toate fiind în concordanță cu relativitatea generală și cu principiul cosmologic. Soluțiile cosmologice ale relativității generale au fost găsite de Alexander Friedmann la începutul anilor 1920. Ecuațiile sale descriu universul Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, care se poate extinde sau contracta și a cărui geometrie poate fi deschisă, plată sau închisă.

(Istoria Universului – undele gravitaționale se presupune că au apărut din inflația cosmică, o expansiune mai rapidă decât lumina imediat după Big Bang)

În anii 1910, Vesto Slipher (și mai târziu Carl Wilhelm Wirtz) au interpretat deplasarea spre roșu a nebuloaselor spirale ca o deplasare Doppler care indică faptul că se retrag dinspre Pământ. Cu toate acestea, este dificil să se determine distanța față de obiectele astronomice. O modalitate este de a compara dimensiunea fizică a unui obiect cu dimensiunea lui unghiulară, însă trebuie să existe o dimensiune fizică pentru aceasta. O altă metodă este de a măsura strălucirea unui obiect și de a presupune o luminozitate intrinsecă, din care distanța poate fi determinată folosind legea pătrată inversă. Datorită dificultății utilizării acestor metode, ei nu și-au dat seama că nebuloasele erau de fapt galaxii în afara Căii noastre a Laptelui, și nici nu au speculat despre implicațiile cosmologice. În 1927, preotul belgian romano-catolic Georges Lemaître a obținut în mod independent ecuațiile Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker și a propus, pe baza recesiunii nebuloaselor spirale, că universul a început cu „explozia” unui „atom primar” care mai târziu a fost numit Big Bang. În 1929, Edwin Hubble a oferit o bază observațională pentru teoria lui Lemaître. Hubble a arătat că nebuloasele spirale erau galaxii, determinându-le distanțele folosind măsurătorile strălucirii stelelor variabile Cefeide. A descoperit o relație între deplasarea spre roșu a unei galaxii și distanța ei. El a interpretat acest lucru ca o dovadă că galaxiile se retrag dinspre Pământ în toate direcțiile la viteze proporționale cu distanța lor. Acest fapt este acum cunoscut drept legea lui Hubble, deși factorul numeric Hubble a fost inițial eronat datorită faptului că nu e cunoșteau tipurile de variabile Cefeide.

Având în vedere principiul cosmologic, legea lui Hubble a sugerat că universul se extinde. Două explicații primare au fost propuse pentru extindere. Una dintre ele a fost teoria Big Bang a lui Lemaître, susținută și dezvoltată de George Gamow. Cealaltă explicație a fost modelul de stare constantă al lui Fred Hoyle, în care se creează o nouă materie, în timp ce galaxiile se îndepărtează una de cealaltă. În acest model, universul este aproximativ același în orice moment.

De câțiva ani, sprijinul pentru aceste teorii a fost împărțit în mod egal. Cu toate acestea, dovezile observaționale au început să susțină ideea că universul a evoluat dintr-un stare densă. Descoperirea fondului cosmic de microunde în 1965 a dat naștere unui sprijin puternic modelului Big Bang și, începând cu măsurătorile precise ale fundalului cosmic de microunde de către Cosmic Background Explorer la începutul anilor 1990, puțini cosmologi au propus serios alte teorii ale originii și evoluției a cosmosului. O consecință a acestui fapt este că, în relativitatea generală standard, universul a început cu o singularitate, așa cum a demonstrat Roger Penrose și Stephen Hawking în anii 1960.

Există o perspectivă alternativă de a extinde modelul Big Bang, sugerând că universul nu are nici un început nici o singularitate, și că vârsta universului este infinită.