Universo

El universo es un concepto que no tiene una definición estricta en astronomía y filosofía [comm. 1] . Se divide en dos entidades fundamentalmente diferentes: especulativa (filosófica) y material , accesible a la observación en el momento presente o en un futuro previsible. Si el autor distingue entre estas entidades, entonces, siguiendo la tradición, la primera se llama el Universo y la segunda, el Universo astronómico o la Metagalaxia (este término prácticamente ha caído en desuso recientemente).

Históricamente, se han utilizado varias palabras para referirse a "todo el espacio", incluidos equivalentes y variantes de varios idiomas, como " cosmos ", "mundo" [1] , "esfera celeste". También se ha utilizado el término "macrocosmos" [2] , aunque se pretende definir sistemas a gran escala, incluidos sus subsistemas y partes. Asimismo, la palabra " microcosmos " se utiliza para referirse a sistemas a pequeña escala.

Cualquier estudio u observación, ya sea la observación de un físico de cómo se divide el núcleo de un átomo, un niño mirando a un gato o un astrónomo observando una galaxia distante , es toda una observación del Universo, o más bien, de sus partes individuales. Estas partes sirven como objeto de estudio de las ciencias individuales, y la astronomía y la cosmología se ocupan del Universo en la escala más grande posible, e incluso del Universo como un todo ; en este caso, el Universo se entiende como una región del mundo cubierta por observaciones y experimentos espaciales, o como un objeto de extrapolaciones cosmológicas: el Universo físico como un todo [3] .

El tema del artículo es el conocimiento sobre el Universo observable como un todo: las observaciones , su interpretación teórica y la historia de su formación .

Entre los hechos inequívocamente interpretables sobre las propiedades del Universo, presentamos aquí los siguientes:

El elemento más común es el hidrógeno.	La expansión del Universo es lineal hasta z ~ 0,1 con buena precisión .	El fondo de la reliquia fluctúa en escalas del cuarto orden de pequeñez.
La temperatura de fondo depende de z .	La presencia de L α -forest en los espectros de objetos distantes ( cuásares ) con z > 6 .	La presencia de una fuerte falta de homogeneidad en la distribución de galaxias en escalas < 100 Mpc .

Las explicaciones y descripciones teóricas de estos fenómenos se basan en el principio cosmológico , cuya esencia es que los observadores, independientemente del lugar y la dirección de la observación, en promedio descubren la misma imagen. Las propias teorías buscan explicar y describir el origen de los elementos químicos , el curso del desarrollo y la causa de la expansión , la aparición de la estructura a gran escala .

El primer impulso significativo hacia las ideas modernas sobre el universo fue realizado por Copérnico. La segunda mayor contribución la hicieron Kepler y Newton. Pero los cambios verdaderamente revolucionarios en nuestra comprensión del universo tuvieron lugar solo en el siglo XX.

Etimología

La palabra rusa "Universo" es un préstamo del art. vsel҄enaꙗ [4] , que es un papel de calco de la antigua palabra griega οἰκουμένη [5] , del verbo οἰκέω "Yo habito, yo habito" y en el primer sentido solo tenía el significado de la parte habitada del mundo. Por lo tanto, la palabra rusa "Universo" está relacionada con el sustantivo "asentamiento" y solo está en consonancia con el pronombre atributivo "todo". La definición más general de "universo" entre los antiguos filósofos griegos , comenzando con los pitagóricos , era τὸ πᾶν (todo), que incluía tanto toda la materia ( τὸ ὅλον ) como el cosmos entero ( τὸ κενόν ) [6] .

La cara del universo

Composición química [7]	Temperatura media de la radiación de fondo	Densidad de la materia en el Universo [8] [9]	Ecuación de estado [8]
H - 75 % He - 23 % O - 1 % C - 0,5 %	2.725K _	10 −29 g/ cm3 . De la cual: Energía oscura - 68,3% Materia oscura - 26,8% Materia bariónica - 4,9%	-1,1±0,4

Al representar el Universo como todo el mundo que lo rodea, inmediatamente lo hacemos único y único. Y al mismo tiempo, nos privamos de la oportunidad de describirlo en términos de mecánica clásica: debido a su singularidad, el Universo no puede interactuar con nada, es un sistema de sistemas y, por lo tanto, conceptos como masa, forma, tamaño. pierden su significado en relación con él. En cambio, uno tiene que recurrir al lenguaje de la termodinámica, utilizando conceptos tales como densidad , presión , temperatura , composición química .

Sin embargo, el Universo se parece poco al gas ordinario. Ya en las escalas más grandes, nos enfrentamos a la expansión del Universo y al fondo relicto . La naturaleza del primer fenómeno es la interacción gravitatoria de todos los objetos existentes. Es su desarrollo lo que determina el futuro del universo . El segundo fenómeno es un legado de épocas tempranas, cuando la luz del Big Bang caliente prácticamente dejó de interactuar con la materia, separándose de ella. Ahora, debido a la expansión del Universo, la mayoría de los fotones emitidos entonces se han movido del rango visible al rango de radio de microondas .

Al pasar a escalas inferiores a 100 M pc , se revela una clara estructura celular . Dentro de las celdas, hay vacío - vacíos . Y las paredes están formadas por supercúmulos de galaxias . Estos supercúmulos son el nivel superior de toda la jerarquía, luego están los cúmulos de galaxias , luego los grupos locales de galaxias , y el nivel más bajo (escala 5 - 200 kpc ) es una gran variedad de objetos muy diferentes. Por supuesto, todas son galaxias, pero todas son diferentes: son lenticulares , irregulares , elípticas , espirales , con anillos polares, con núcleos activos , etc.

De estos, vale la pena mencionar por separado los cuásares, que se distinguen por una luminosidad muy alta y un tamaño angular tan pequeño que durante varios años después del descubrimiento no pudieron distinguirse de las "fuentes puntuales": las estrellas . La luminosidad bolométrica de los cuásares puede alcanzar 10 46 - 10 47 erg/s [10] .

Pasando a la composición de la galaxia, encontramos: materia oscura , rayos cósmicos , gas interestelar , cúmulos globulares , cúmulos abiertos , estrellas dobles , sistemas estelares de mayor multiplicidad , agujeros negros supermasivos y agujeros negros de masa estelar y, finalmente, estrellas individuales de diferentes poblaciones .

Su evolución individual e interacción entre sí da lugar a muchos fenómenos. Por lo tanto, se supone que la fuente de energía de los cuásares ya mencionados es la acumulación de gas interestelar en un agujero negro central supermasivo.

Por separado, vale la pena mencionar los estallidos de rayos gamma : estos son aumentos repentinos y localizados a corto plazo en la intensidad de la radiación gamma cósmica con una energía de decenas y cientos de keV [11] . De las estimaciones de distancias a los estallidos de rayos gamma, se puede concluir que la energía emitida por ellos en el rango gamma alcanza los 10 50 erg. A modo de comparación, la luminosidad de toda la galaxia en el mismo rango es "solo" 10 38 erg/c. Estos destellos brillantes son visibles desde los rincones más lejanos del Universo, por lo que GRB 090423 tiene un corrimiento al rojo z = 8,2.

El complejo más complejo, que incluye muchos procesos, es la evolución de la galaxia [12] :

En el centro del diagrama hay etapas importantes en la evolución de una estrella : desde su formación hasta su muerte. Su curso depende poco de lo que le suceda a toda la galaxia como un todo. Sin embargo, el número total de estrellas recién formadas y sus parámetros están sujetos a una influencia externa significativa. Los procesos cuyas escalas son comparables o mayores que el tamaño de la galaxia (en el diagrama, estos son todos los demás que no están incluidos en la región central), cambian la estructura morfológica, la tasa de formación de estrellas y, por lo tanto, la tasa de química. evolución, el espectro de la galaxia, etc.

Observaciones

La diversidad descrita anteriormente da lugar a todo un espectro de problemas de naturaleza observacional. Un grupo puede incluir el estudio de fenómenos y objetos individuales, y estos son:

fenómeno de expansión. Y para ello, debe medir las distancias y los desplazamientos al rojo de los objetos más lejanos posible. En un examen más detallado, esto se traduce en una amplia gama de tareas llamadas escala de distancia .
Fondo de reliquia.
Objetos distantes individuales como cuásares y estallidos de rayos gamma.

Los objetos lejanos y antiguos emiten poca luz y se necesitan telescopios gigantes como el Observatorio Keck , VLT , BTA , Hubble , James Webb y el E-ELT en construcción . Además, se necesitan herramientas especializadas para completar la primera tarea, como Hipparcos y Gaia .

Como se mencionó, la radiación CMB se encuentra en el rango de longitud de onda de microondas, por lo tanto, se necesitan observaciones de radio y, preferiblemente, telescopios espaciales como WMAP y Planck para estudiarla .

Las características únicas de los estallidos de rayos gamma requieren no solo laboratorios de rayos gamma en órbita, como SWIFT , sino también telescopios inusuales (telescopios robóticos) cuyo campo de visión sea mayor que el de los instrumentos SDSS antes mencionados , y capaces de observar en modo automático. . Ejemplos de tales sistemas son los telescopios de la red rusa " Master " y el proyecto ruso-italiano Tortora .

Las tareas anteriores son trabajos sobre objetos individuales. Se requiere un enfoque completamente diferente para:

Estudio de la estructura a gran escala del universo.
El estudio de la evolución de las galaxias y los procesos de sus constituyentes . Por lo tanto, se necesitan observaciones de objetos tan antiguos como sea posible y en el mayor número posible.

Por un lado, se necesitan observaciones de encuestas masivas. Esto obliga al uso de telescopios de campo amplio como los del proyecto SDSS. Por otro lado, se requiere un detallado que supera por órdenes de magnitud las necesidades de la mayoría de las tareas del grupo anterior. Y esto es posible sólo con la ayuda de observaciones VLBI , con una base del diámetro de la Tierra , o incluso más como el experimento de Radioastron .

Por otra parte, cabe destacar la búsqueda de neutrinos reliquia . Para resolverlo, es necesario utilizar telescopios especiales -telescopios de neutrinos y detectores de neutrinos- como el telescopio de neutrinos Baksan , Baikal bajo el agua , IceCube , KATRIN .

Un estudio de los estallidos de rayos gamma y el fondo cósmico indica que solo la parte óptica del espectro no es suficiente aquí. Sin embargo, la atmósfera de la Tierra tiene sólo dos ventanas de transparencia : en el rango de radio y óptico, y por lo tanto no se puede prescindir de los observatorios espaciales. De los actuales, aquí damos Chandra , Integral , XMM-Newton , Herschel como ejemplo . Spektr-UV , IXO , Spektr-RG , Astrosat y muchos otros están en desarrollo .

Escala de distancia y corrimiento al rojo cosmológico

La medición de distancias en astronomía es un proceso de varios pasos. Y la principal dificultad radica en el hecho de que la mejor precisión para diferentes métodos se logra a diferentes escalas. Por lo tanto, para medir objetos cada vez más distantes, se utiliza una cadena de métodos cada vez más larga, cada uno de los cuales se basa en los resultados del anterior.

Todas estas cadenas se basan en el método de paralaje trigonométrico, el básico, el único en el que la distancia se mide geométricamente, con una participación mínima de suposiciones y patrones empíricos. Otros métodos, en su mayor parte, utilizan una vela estándar para medir la distancia , una fuente con una luminosidad conocida. Y la distancia a ella se puede calcular [13] :

D^{2}={\frac {L}{4\pi F)),

donde D es la distancia deseada, L es la luminosidad y F es el flujo luminoso medido.

método de paralaje trigonométrico

El paralaje es el ángulo debido a la proyección de la fuente sobre la esfera celeste . Hay dos tipos de paralaje: anual y de grupo [14] .

La paralaje anual es el ángulo en el que el radio promedio de la órbita de la Tierra sería visible desde el centro de masa de la estrella. Debido al movimiento de la Tierra en órbita, la posición aparente de cualquier estrella en la esfera celeste cambia constantemente: la estrella describe una elipse, cuyo semieje mayor resulta ser igual a la paralaje anual. De acuerdo con el paralaje conocido de las leyes de la geometría euclidiana, la distancia desde el centro de la órbita de la Tierra a la estrella se puede encontrar como [14] :

D={\frac {2R}{2\sin \alpha /2}}\approx {\frac {2R}{\alpha )),

donde D es la distancia deseada, R es el radio de la órbita terrestre y la igualdad aproximada se escribe para un ángulo pequeño (en radianes ). Esta fórmula demuestra bien la principal dificultad de este método: al aumentar la distancia, el valor de paralaje disminuye a lo largo de una hipérbola y, por lo tanto, medir las distancias a estrellas distantes está asociado con importantes dificultades técnicas.

La esencia de la paralaje de grupo es la siguiente: si cierto cúmulo de estrellas tiene una velocidad notable en relación con la Tierra, entonces, de acuerdo con las leyes de proyección, las direcciones visibles de movimiento de sus miembros convergerán en un punto, llamado el radiante de la Tierra. grupo. La posición del radiante se determina a partir de los movimientos propios de las estrellas y el cambio en sus líneas espectrales debido al efecto Doppler . Luego, la distancia al cúmulo se encuentra a partir de la siguiente relación [15] :

D={\frac {V_{r}\mathrm {tg} (\lambda )}{4738\mu )),

donde y son, respectivamente, la velocidad angular (en segundos de arco por año) y radial (en km/s) de la estrella del cúmulo, es el ángulo entre las líneas Sol-estrella y estrella-radiante, y es la distancia expresada en parsecs . Solo las Hyades tienen una paralaje de grupo notable, pero antes del lanzamiento del satélite Hipparcos , esta es la única forma de calibrar la escala de distancia para objetos antiguos [14] . $\mu$ $V_r$ $\lambda$ $D$

Método para determinar la distancia a las estrellas Cefeidas y RR Lyrae

En las cefeidas y estrellas del tipo RR Lyrae, la escala de distancia unificada diverge en dos ramas: la escala de distancia para objetos jóvenes y para objetos viejos [14] . Las cefeidas se ubican principalmente en regiones de formación estelar reciente y por lo tanto son objetos jóvenes. Las variables del tipo RR Lyrae gravitan hacia sistemas antiguos, por ejemplo, hay muchas de ellas especialmente en cúmulos estelares globulares en el halo de nuestra Galaxia .

Ambos tipos de estrellas son variables, pero si las Cefeidas son objetos recién formados, entonces las estrellas RR Lyrae descienden de la secuencia principal : gigantes de tipos espectrales A-F, ubicadas principalmente en la rama horizontal del diagrama de color-magnitud para cúmulos globulares. Sin embargo, la forma en que se utilizan como velas estándar es diferente:

Para las Cefeidas, existe una buena relación "período de pulsación - magnitud absoluta". Lo más probable es que esto se deba al hecho de que las masas de las Cefeidas son diferentes.
Para las estrellas RR Lyrae, la magnitud absoluta promedio es aproximadamente la misma y es [14] . ${\displaystyle M_{RR}\aproximadamente 0,78^{m))$

La determinación de distancias por este método está asociada con una serie de dificultades:

Es necesario seleccionar estrellas individuales. Dentro de la Vía Láctea, esto no es difícil, pero cuanto mayor es la distancia, menor es el ángulo que separa las estrellas.
Es necesario tener en cuenta la absorción de la luz por el polvo y la falta de homogeneidad de su distribución en el espacio.

Además, para las cefeidas, sigue siendo un problema grave determinar con precisión el punto cero de la dependencia del "período del pulso - luminosidad". A lo largo del siglo XX, su valor ha ido cambiando constantemente, lo que significa que la estimación de la distancia obtenida de forma similar también ha cambiado. La luminosidad de las estrellas RR Lyrae, aunque casi constante, todavía depende de la concentración de elementos pesados.

Método de distancia de supernova tipo Ia

Una explosión de supernova es un proceso explosivo colosal que ocurre en todo el cuerpo de una estrella, mientras que la cantidad de energía liberada se encuentra en el rango de 10 50 - 10 51 erg [16] . Además, las supernovas de tipo Ia tienen la misma luminosidad en el brillo máximo. Juntos, esto hace posible medir distancias a galaxias muy distantes.

Gracias a ellos, en 1998, dos grupos de observadores descubrieron la aceleración de la expansión del Universo [17] . Hasta la fecha, el hecho de la aceleración está casi fuera de toda duda, sin embargo, es imposible determinar sin ambigüedades su magnitud a partir de las supernovas: los errores para z grandes siguen siendo extremadamente grandes [13] [18] .

Por lo general, además de lo común para todos los métodos fotométricos, las desventajas y los problemas abiertos incluyen [19] :

El problema de la corrección K. La esencia de este problema es que no es la intensidad bolométrica (integrada en todo el espectro) lo que se mide, sino en un cierto rango espectral del receptor. Esto significa que para fuentes con diferentes corrimientos al rojo, la intensidad se mide en diferentes rangos espectrales. Para tener en cuenta esta diferencia, se introduce una corrección especial, llamada corrección K.
La forma de la curva de distancia frente al corrimiento al rojo se mide en diferentes observatorios con diferentes instrumentos, lo que provoca problemas con las calibraciones de flujo, etc.
Solía pensarse que todas las supernovas de Ia son enanas blancas en explosión en un sistema binario cercano, donde el segundo componente es una gigante roja. Sin embargo, ha surgido evidencia de que al menos algunos de ellos pueden surgir durante la fusión de dos enanas blancas, lo que significa que esta subclase ya no es adecuada para su uso como vela estándar.
Dependencia de la luminosidad de la supernova en la composición química de la estrella progenitora.

Método para determinar la distancia usando lentes gravitacionales

Al pasar cerca de un cuerpo masivo , un rayo de luz se desvía. Así, un cuerpo masivo es capaz de recoger un haz de luz paralelo en un determinado foco , construyendo una imagen, y puede haber varios de ellos. Este fenómeno se llama lente gravitacional . Si el objeto focalizado es variable y se observan varias de sus imágenes, se abre la posibilidad de medir distancias, ya que existirán diferentes retardos de tiempo entre imágenes debido a la propagación de los rayos en distintas partes del campo gravitatorio de la lente (el efecto es similar al efecto Shapiro en el sistema solar) [20] .

Si tomamos y (donde es la distancia angular) como una escala característica para las coordenadas de la imagen y la fuente (ver figura) en los planos correspondientes , entonces podemos escribir el tiempo de retardo entre las imágenes número y de la siguiente manera [20] : $\xi$ $\eta$ ${\ estilo de visualización \ xi _ {0} = D_ {1}}$ ${\ estilo de visualización \ eta _ {0} = \ xi _ {0} D_ {s} / D_ {1}}$ $D$ $i$ $j$

\Delta t={\frac {1}{c}}{\frac {D_{s}D_{l}}{D_{ls}}}(1+z_{l})\left|{\ fracción {1}{2}}((x_{j}-y)^{2}-(x_{i}-y)^{2})+\psi (x_{i},y)-\psi ( x_{j},y)\derecha|,

donde y son las posiciones angulares de la fuente y la imagen, respectivamente, es la velocidad de la luz, es el corrimiento al rojo de la lente y es el potencial de deflexión dependiendo de la elección del modelo. Se cree que, en la mayoría de los casos, el potencial real de la lente se aproxima bien mediante un modelo en el que la materia se distribuye radialmente simétricamente y el potencial se vuelve infinito. Entonces el tiempo de retardo está determinado por la fórmula: ${\ estilo de visualización \ chi = \ xi / \ xi _ {0))$ ${\displaystyle y=\eta /\eta _{0))$ $C$ $z_{1}$ $\psi$

\Delta t={\frac {1}{c}}{\frac {D_{s}D_{l}}{D_{ls}}}(1+z_{l})\left|x_{i}- x_{j}\derecho|.

Sin embargo, en la práctica, la sensibilidad del método a la forma del potencial del halo de la galaxia es significativa. Así, el valor medido para la galaxia SBS 1520+530, según el modelo, oscila entre 46 y 72 km/(s Mpc) [21] . $H_{0}$

Método para determinar la distancia a las gigantes rojas

Las gigantes rojas más brillantes tienen la misma magnitud estelar absoluta −3,0 m ±0,2 m [22] , lo que significa que son adecuadas para el papel de velas estándar. Desde el punto de vista de la observación, este efecto fue descubierto por primera vez por Sandage en 1971. Se supone que estas estrellas están en la parte superior del primer ascenso de la rama gigante roja de estrellas de baja masa (menos que solares) o se encuentran en la rama gigante asintótica.

La principal ventaja del método es que las gigantes rojas están lejos de las regiones de formación estelar y de altas concentraciones de polvo, lo que facilita mucho el cálculo de la extinción. Su luminosidad también depende muy débilmente de la metalicidad tanto de las estrellas mismas como de su entorno.
El principal problema de este método es la selección de gigantes rojas a partir de observaciones de la composición estelar de la galaxia. Hay dos formas de resolverlo [22] :

Clásico: un método para seleccionar el borde de las imágenes. En este caso se suele utilizar un filtro Sobel . El comienzo del fracaso es el punto de inflexión deseado . En ocasiones, en lugar del filtro de Sobel, se toma como función de aproximación la gaussiana, y la función de detección de bordes depende de los errores fotométricos de las observaciones. Sin embargo, a medida que la estrella se debilita, también lo hacen los errores del método. Como resultado, el brillo máximo medible es dos magnitudes peor de lo que permite el equipo.
La segunda forma es construir la función de luminosidad por el método de máxima verosimilitud. Este método se basa en el hecho de que la función de luminosidad de la rama gigante roja se aproxima bien mediante una función de potencia: $\xi (m)\propto 10^{am},$

donde a es un coeficiente cercano a 0,3, m es la magnitud observada. El principal problema es la divergencia en algunos casos de las series resultantes de la operación del método de máxima verosimilitud [22] . Problemas y discusiones contemporáneas

Uno de los problemas es la incertidumbre en el valor de la constante de Hubble y su isotropía. Un grupo de investigadores afirma que el valor de la constante de Hubble fluctúa en escalas de 10-20° [23] . Hay varias razones posibles para este fenómeno:

Efecto físico real: en este caso, el modelo cosmológico debe revisarse radicalmente;
El procedimiento estándar de promedio de errores es incorrecto [24] .

Esto también lleva a una revisión del modelo cosmológico, pero quizás no tan significativa [25] . A su vez, muchas otras revisiones y su interpretación teórica no muestran una anisotropía superior a la provocada localmente por el crecimiento de la heterogeneidad, que incluye a nuestra Galaxia, en un Universo isotrópico como un todo [26] [27] [28] [29] .

Estudio del fondo de la reliquia

La información que se puede obtener observando el fondo de la reliquia es muy diversa: llama la atención el hecho mismo de la existencia del fondo de la reliquia. Si el Universo existió para siempre, entonces la razón de su existencia no está clara: no observamos fuentes masivas capaces de crear tal fondo. Sin embargo, si el tiempo de vida del Universo es finito, entonces es obvio que la razón de su aparición se encuentra en las etapas iniciales de su formación [30] .

Hasta la fecha, la opinión predominante es que la radiación reliquia es radiación liberada en el momento de la formación de átomos de hidrógeno. Antes de esto, la radiación estaba atrapada en la materia, o mejor dicho, en lo que era entonces: un denso plasma caliente.

El método de análisis de fondo de reliquias se basa en esta suposición. Si trazamos mentalmente el camino de cada fotón, resulta que la superficie de la última dispersión es una esfera, entonces es conveniente expandir las fluctuaciones de temperatura en una serie en términos de funciones esféricas [30] :

\delta T(\theta ,\phi )=\sum_{l=2}^{\infty}\sum_{m=-l}^{l}a_{lm}Y_{lm}(\ theta ,\phi ),

donde son los coeficientes, llamados multipolares, y son los armónicos esféricos. La información resultante es bastante variada. $a_{{lm}}$ $Y_{{lm}}$

Diversa información también está incrustada en las desviaciones de la radiación del cuerpo negro. Si las desviaciones son a gran escala y sistemáticas, entonces se observa el efecto Sunyaev-Zeldovich, mientras que las pequeñas fluctuaciones se deben a las fluctuaciones de la materia en las primeras etapas del desarrollo del Universo.
La polarización del fondo reliquia proporciona información especialmente valiosa sobre los primeros segundos de la vida del Universo (en particular, sobre la etapa de expansión inflacionaria).

Efecto Sunyaev-Zeldovich

Si los fotones CMB encuentran el gas caliente de los cúmulos de galaxias en su camino, en el curso de la dispersión debido al efecto Compton inverso, los fotones se calentarán (es decir, aumentarán la frecuencia), tomando parte de la energía de los electrones calientes. Desde el punto de vista de la observación, esto se manifestará mediante una disminución en el flujo de radiación del fondo cósmico de microondas en la dirección de grandes cúmulos de galaxias en la región de longitud de onda larga del espectro.

Con este efecto, puedes obtener información [31] :

sobre la presión del gas intergaláctico caliente en el cúmulo y, posiblemente, sobre la masa del propio cúmulo;
en la velocidad del cúmulo a lo largo de la línea de visión (a partir de observaciones a diferentes frecuencias);
sobre el valor de la constante de Hubble , con la participación de observaciones en el rango gamma. $H_{0}$

Con un número suficiente de cúmulos observados, es posible determinar la densidad general del Universo . $\Omega$

Polarización

La polarización de la radiación de fondo cósmico de microondas podría haber surgido solo en la era de la iluminación. Dado que la dispersión es Thompson , la radiación reliquia está polarizada linealmente. En consecuencia, los parámetros de Stokes y , que caracterizan los parámetros lineales, son diferentes y el parámetro es igual a cero. Si la intensidad se puede expandir en términos de armónicos escalares, entonces la polarización se puede expandir en términos de los llamados armónicos de espín [30] : $q$ $tu$ $V$

Q+iU=\sum _{l,m}a_{lm}^{\pm 2}Y_{lm}^{\pm 2}(\theta ,\phi ).

Se distinguen el modo E ( componente de gradiente ) y el modo B ( componente giratorio ) [32] .

a_{lm}^{E}={\frac {1}{2}}\left(a_{lm}^{+2}+a_{lm}^{-2}\right),

a_{lm}^{B}={\frac {1}{2}}\left(a_{lm}^{+2}-a_{lm}^{-2}\right).

El modo E puede aparecer cuando la radiación pasa a través de un plasma no homogéneo debido a la dispersión de Thompson. El modo B, cuya amplitud máxima alcanza solo , aparece solo cuando interactúa con ondas gravitacionales. $0.1\muK$

El modo B es un signo de la inflación del Universo y está determinado por la densidad de ondas gravitacionales primordiales . La observación del modo B es un desafío debido al nivel de ruido desconocido para este componente del CMB, y también debido al hecho de que el modo B está mezclado por lentes gravitacionales débiles con el modo E más fuerte [33] .

Hasta la fecha se ha detectado polarización, su valor está en un nivel de varios ( microkelvins ). $\mu K$

Fluctuaciones de CMB

Después de la eliminación de las fuentes de fondo, el componente constante de los armónicos dipolares y cuadripolares, solo quedan fluctuaciones dispersas en el cielo, cuya amplitud se extiende en el rango de −15 a 15 μK [8] .

Para la comparación con los datos teóricos, los datos sin procesar se reducen a una cantidad rotacionalmente invariante [30] :

C_{l}={\frac {1}{2l+1}}\sum _{l=-m}^{l=m}\left|a_{lm}\right|^{2}.

El "espectro" se construye para la cantidad , a partir del cual se obtienen conclusiones importantes para la cosmología. Por ejemplo, por la posición del primer pico, se puede juzgar la densidad total del Universo, y por su magnitud, el contenido de bariones. ${\frac {l(l+1)C_{l}}{2\pi }}$

Así, de la coincidencia de la correlación cruzada entre la anisotropía y el modo E de polarización con las predichas teóricamente para ángulos pequeños ( ) y una discrepancia significativa en la región de ángulos grandes, se puede concluir que existe una época de recombinación en z ≈ 15–20 . ${\ estilo de visualización \ theta <5^{\ circ}}$

Dado que las fluctuaciones son gaussianas, se puede utilizar el método de la cadena de Markov para construir la superficie de máxima verosimilitud. En general, el procesamiento de datos en segundo plano es un complejo completo de programas. Sin embargo, tanto el resultado final como los supuestos y criterios utilizados son discutibles. Varios grupos han demostrado la diferencia entre la distribución de fluctuaciones de la gaussiana, la dependencia del mapa de distribución de los algoritmos para su procesamiento [34] [35] [36] .

Un resultado inesperado fue una distribución anómala a gran escala (desde 6° y más). La calidad de los últimos datos de apoyo del observatorio espacial Planck elimina los errores de medición. Quizás sean causados por un fenómeno aún no descubierto e inexplorado [37] .

Observación de objetos distantes

Les Lyman-alfa

En los espectros de algunos objetos distantes se puede observar una gran acumulación de fuertes líneas de absorción en una pequeña sección del espectro (el llamado bosque de líneas). Estas líneas se identifican como líneas de la serie de Lyman, pero con corrimientos al rojo diferentes.

Las nubes de hidrógeno neutro absorben eficazmente la luz en longitudes de onda desde L α (1216 Å) hasta el límite de Lyman . La radiación, originalmente de longitud de onda corta, en el camino hacia nosotros debido a la expansión del Universo es absorbida donde su longitud de onda se compara con este "bosque". La sección transversal de interacción es muy grande y el cálculo muestra que incluso una pequeña fracción de hidrógeno neutro es suficiente para crear una gran absorción en el espectro continuo.

Con una gran cantidad de nubes de hidrógeno neutro en el camino de la luz, las líneas estarán ubicadas tan cerca unas de otras que se formará una depresión en el espectro en un intervalo bastante amplio. El límite de longitud de onda larga de este intervalo se debe a L α , y el de longitud de onda corta depende del corrimiento al rojo más cercano, por debajo del cual el medio está ionizado y hay poco hidrógeno neutro. Este efecto se llama efecto Ghan-Peterson.

El efecto se observa en cuásares con redshift z > 6. Por lo tanto, se concluye que la época de ionización del gas intergaláctico comenzó en z ≈ 6 [38] [39] .

Objetos con lentes gravitacionales

Entre los efectos, cuyas observaciones también son posibles para cualquier objeto (no importa si está lejos), también se debe incluir el efecto de lente gravitacional. En la última sección, se señaló que la lente gravitatoria se utiliza para construir una escala de distancia, esta es una variante de la llamada lente fuerte , cuando se puede observar directamente la separación angular de las imágenes fuente. Sin embargo, también existe la lente débil , con su ayuda se puede explorar el potencial del objeto en estudio. Por lo tanto, con su ayuda, se descubrió que los cúmulos de galaxias que varían en tamaño de 10 a 100 Mpc están unidos gravitacionalmente, por lo que son los sistemas estables más grandes del Universo. También resultó que esta estabilidad está garantizada por una masa que se manifiesta solo en la interacción gravitacional: masa oscura o, como se llama en cosmología, materia oscura [40] [41] .

Observaciones de cuásares

Una propiedad única de los cuásares son las grandes concentraciones de gas en la región de radiación. Según los conceptos modernos, la acumulación de este gas en un agujero negro proporciona una luminosidad tan alta de los objetos. Una alta concentración de una sustancia también significa una alta concentración de elementos pesados y, por lo tanto, líneas de absorción más notorias. Por lo tanto, se encontraron líneas de agua en el espectro de uno de los cuásares con lentes [42] .

Una ventaja única es la alta luminosidad en el rango de radio, en su contexto, la absorción de parte de la radiación por el gas frío es más notable. En este caso, el gas puede pertenecer tanto a la galaxia nativa del quásar como a una nube aleatoria de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico, o a una galaxia que cayó accidentalmente en la línea de visión (en este caso, a menudo hay casos en los que tal galaxia no es visible, es demasiado tenue para nuestros telescopios). El estudio de la materia interestelar en galaxias por este método se denomina “estudio de transmisión”, por ejemplo, la primera galaxia con metalicidad supersolar fue descubierta de manera similar [43] .

Asimismo, un resultado importante de la aplicación de este método, aunque no en el radio, sino en el rango óptico, es la medida de la abundancia primaria de deuterio. El valor moderno de la abundancia de deuterio, obtenido de tales observaciones, es [44] . $D/H_{p}\aprox. 3\cdot 10^{-5}$

Con la ayuda de los cuásares, se obtuvieron datos únicos sobre la temperatura del fondo de fondo en z ≈ 1,8 y en z = 2,4. En el primer caso, se estudiaron las líneas de la estructura hiperfina del carbono neutro, para las cuales los cuantos con T ≈ 7.5 K (la temperatura supuesta del fondo de fondo en ese momento) juegan el papel de bombeo, proporcionando una población de nivel inversa [45 ] . En el segundo caso, se encontraron las líneas de moléculas de hidrógeno H 2 molecular , deuteruro de hidrógeno HD y monóxido de carbono CO, cuya intensidad del espectro se utilizó para medir la temperatura del fondo de fondo, coincidió con el valor esperado con buena precisión [46] .

Otro logro que tuvo lugar gracias a los quásares es la estimación de la tasa de formación estelar en z grande. Primero, comparando los espectros de dos cuásares diferentes y luego comparando partes individuales del espectro del mismo cuásar, se encontró una fuerte caída en una de las partes UV del espectro [47] . Una caída tan fuerte solo podría ser causada por una gran concentración de polvo que absorbe la radiación. Previamente, intentaron detectar el polvo usando líneas espectrales, pero no fue posible identificar una serie específica de líneas, demostrando que era polvo y no una mezcla de elementos pesados en el gas. Fue el desarrollo posterior de este método lo que hizo posible estimar la tasa de formación estelar en z de ~2 a ~6 [48] .

Observaciones de estallidos de rayos gamma

Los estallidos de rayos gamma son un fenómeno único y no existe una opinión generalmente aceptada sobre su naturaleza. Sin embargo, la gran mayoría de los científicos está de acuerdo con la afirmación de que los objetos de masa estelar son los progenitores del estallido de rayos gamma [49] .

Las posibilidades únicas de usar estallidos de rayos gamma para estudiar la estructura del Universo son las siguientes [49] :

Dado que el progenitor de un estallido de rayos gamma es un objeto de masa estelar , los estallidos de rayos gamma se pueden rastrear a una distancia mayor que los cuásares, tanto debido a la formación anterior del propio progenitor como a la pequeña masa del cuásar. agujero negro, y por tanto su menor luminosidad para ese periodo de tiempo.
El espectro de un estallido de rayos gamma es continuo, es decir, no contiene líneas espectrales . Esto significa que las líneas de absorción más distantes en el espectro de un estallido de rayos gamma son las líneas del medio interestelar de la galaxia anfitriona. Del análisis de estas líneas espectrales se puede obtener información sobre la temperatura del medio interestelar, su metalicidad, grado de ionización y cinemática.
Los estallidos de rayos gamma proporcionan una forma casi ideal de estudiar el medio intergaláctico antes de la época de reionización , ya que su influencia en el medio intergaláctico es 10 órdenes de magnitud menor que los cuásares debido a la corta vida útil de la fuente.
Si el resplandor del estallido de rayos gamma en el rango de radio es lo suficientemente fuerte, entonces la línea de 21 cm se puede usar para juzgar el estado de varias estructuras de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico cerca de la galaxia progenitora del estallido de rayos gamma.
Un estudio detallado de los procesos de formación de estrellas en las primeras etapas del desarrollo del Universo con la ayuda de los estallidos de rayos gamma depende en gran medida del modelo elegido de la naturaleza del fenómeno, pero si recopilamos suficientes estadísticas y trazamos las distribuciones. de las características de los estallidos de rayos gamma en función del corrimiento al rojo, entonces, manteniéndose dentro de las disposiciones bastante generales, es posible estimar la tasa de formación estelar y la función de masa de las estrellas nacidas [49] .
Si aceptamos la suposición de que un estallido de rayos gamma es una explosión de supernova de población III, entonces podemos estudiar la historia del enriquecimiento del Universo con metales pesados.
Además, un estallido de rayos gamma puede servir como indicador de una galaxia enana muy tenue, que es difícil de detectar con una observación "masiva" del cielo.

Un problema serio para la observación de los estallidos de rayos gamma en general y su aplicabilidad para el estudio del Universo en particular es su esporadismo y la brevedad del tiempo en que se puede observar espectroscópicamente el resplandor del estallido, que es el único que puede determinar la distancia a él.

Estudiar la evolución del Universo y su estructura a gran escala

Explorando la estructura a gran escala

La primera forma de estudiar la estructura a gran escala del Universo , que no ha perdido relevancia, fue el llamado método de " recuento de estrellas " o "star scoops". Su esencia es contar el número de objetos en diferentes direcciones. Aplicado por Herschel a finales del siglo XVIII, cuando solo se sospechaba de la existencia de objetos espaciales distantes, y los únicos objetos disponibles para la observación eran las estrellas, de ahí el nombre. Hoy, por supuesto, no se cuentan estrellas, sino objetos extragalácticos (quásares, galaxias), y además de la dirección seleccionada, se construyen distribuciones en z.

Las mayores fuentes de datos sobre objetos extragalácticos son las observaciones individuales de objetos específicos, encuestas como SDSS, APM, 2df y bases de datos compiladas como Ned e Hyperleda . Por ejemplo, en el estudio 2df, la cobertura del cielo fue de ~ 5 %, el promedio de z fue de 0,11 (~ 500 Mpc) y la cantidad de objetos fue de ~ 220 000.

Ya en la figura presentada, se puede ver que las galaxias están ubicadas en el espacio de manera heterogénea en pequeñas escalas. Después de un examen más detallado, resulta que la estructura espacial de la distribución de las galaxias es celular: paredes estrechas con un ancho determinado por el tamaño de los cúmulos y supercúmulos de galaxias, y dentro de estas células hay vacíos, los llamados vacíos. [41] .

La opinión dominante es que al pasar a escalas de cientos de megaparsecs, las celdas se suman y promedian, la distribución de la materia visible se vuelve homogénea [50] [51] . Sin embargo, aún no se ha logrado la claridad en este tema: utilizando varios métodos, algunos investigadores llegan a la conclusión de que la distribución de las galaxias no es uniforme hasta las escalas más grandes estudiadas [52] [53] . Al mismo tiempo, las heterogeneidades en la distribución de las galaxias no anulan el hecho de la alta homogeneidad del Universo en el estado inicial, que se deriva del alto grado de isotropía de la radiación cósmica de fondo de microondas.

Al mismo tiempo, se encontró que la distribución del corrimiento al rojo del número de galaxias es compleja. La dependencia para diferentes objetos es diferente. Sin embargo, todos ellos se caracterizan por la presencia de varios máximos locales [54] [55] [56] . Con qué está conectado esto aún no está del todo claro.

Hasta hace poco, no estaba claro cómo evoluciona la estructura a gran escala del Universo. Sin embargo, trabajos recientes muestran que las galaxias grandes se formaron primero y solo después las pequeñas (el llamado efecto de reducción de tamaño ) [57] [58] .

Observaciones de cúmulos estelares

La propiedad principal de los cúmulos globulares para la cosmología observacional es que hay muchas estrellas de la misma edad en un espacio pequeño. Esto significa que si la distancia a un miembro del grupo se mide de alguna manera, entonces la diferencia en la distancia a otros miembros del grupo es insignificante.

La formación simultánea de todas las estrellas del cúmulo permite determinar su edad: con base en la teoría de la evolución estelar , las isócronas se construyen sobre el diagrama color-magnitud, es decir, curvas de igual edad para estrellas de diferente masa. Comparándolos con la distribución observada de estrellas en el cúmulo, se puede determinar su edad.

El método tiene varias dificultades propias. Al tratar de resolverlos, diferentes equipos en diferentes momentos obtuvieron diferentes edades para los cúmulos más antiguos, desde ~ 8 mil millones de años [59] hasta ~ 25 mil millones de años [60] .

En las galaxias , los cúmulos globulares , que forman parte del antiguo subsistema esférico de galaxias, contienen muchas enanas blancas, los restos de gigantes rojas evolucionadas de masa relativamente pequeña. Las enanas blancas se ven privadas de sus propias fuentes de energía termonuclear y radian únicamente debido a la emisión de reservas de calor. Las enanas blancas tienen aproximadamente la misma masa que las estrellas progenitoras, lo que significa que también tienen aproximadamente la misma dependencia de la temperatura frente al tiempo. Determinando la magnitud absoluta actual de una enana blanca a partir del espectro de una enana blanca y conociendo la dependencia del tiempo y la luminosidad durante el enfriamiento, es posible determinar la edad de la enana [61]

Sin embargo, este enfoque está asociado con grandes dificultades técnicas: las enanas blancas son objetos extremadamente débiles y se necesitan instrumentos extremadamente sensibles para observarlas. El primer y hasta ahora el único telescopio que puede resolver este problema es el Telescopio Espacial Hubble. La edad del cúmulo más antiguo según el grupo que trabajó con él es de mil millones de años [61] , sin embargo, el resultado es discutido. Los opositores indican que no se tomaron en cuenta fuentes adicionales de errores, su estimación de miles de millones de años [62] . $12.7\pm 0.7$ $12,4_{-1,5}^{+1,8}$

Observaciones de objetos no evolucionados

Los objetos que en realidad consisten en materia primaria han sobrevivido hasta nuestros días debido a la tasa extremadamente baja de su evolución interna. Esto nos permite estudiar la composición química primaria de los elementos, y también, sin entrar en demasiados detalles y basándonos en las leyes de laboratorio de la física nuclear , estimar la edad de dichos objetos, lo que dará un límite inferior a la edad de los Universo como un todo.

Este tipo incluye: estrellas de baja masa con baja metalicidad (las llamadas enanas G), regiones HII de bajo metal, así como galaxias enanas irregulares de la clase BCDG (Blue Compact Dwarf Galaxy).

Según los conceptos modernos, el litio debería haberse formado durante la nucleosíntesis primaria. La peculiaridad de este elemento radica en el hecho de que las reacciones nucleares con su participación comienzan a temperaturas no muy grandes, a escala cósmica. Y en el curso de la evolución estelar, el litio original tuvo que ser reciclado casi por completo. Podría permanecer solo cerca de estrellas de tipo II de población masiva. Estas estrellas tienen una atmósfera tranquila y no convectiva, lo que permite que el litio permanezca en la superficie sin riesgo de quemarse en las capas internas más calientes de la estrella.

En el curso de las mediciones, se encontró que la abundancia de litio en la mayoría de estas estrellas es [63] :

A(Li)=12+\log(Li/H)=2.12.

Sin embargo, hay una serie de estrellas, incluidas las de ultra bajo contenido de metal, en las que la abundancia es significativamente menor. No está completamente claro con qué está relacionado esto, se supone que esto está relacionado de alguna manera con los procesos en la atmósfera [64] .

En la estrella CS31082-001, perteneciente a la población estelar de tipo II, se encontraron líneas y se midieron concentraciones de torio y uranio en la atmósfera. Estos dos elementos tienen diferentes vidas medias, por lo que su proporción cambia con el tiempo, y si de alguna manera estima la proporción de abundancia inicial, entonces puede determinar la edad de la estrella. Se puede estimar de dos formas: a partir de la teoría de los procesos r, confirmada tanto por mediciones de laboratorio como por observaciones del Sol; o puede cruzar la curva de cambios de concentración debido a la descomposición y la curva de cambios en la abundancia de torio y uranio en las atmósferas de estrellas jóvenes debido a la evolución química de la Galaxia. Ambos métodos dieron resultados similares: se obtuvieron 15,5 ± 3,2 [65] Ga con el primer método, [66] Ga con el segundo. $14{,}5_{+2{,}2}^{-2{,}8}$

Las galaxias BCDG débilmente metálicas (hay ~10 de ellas en total) y las zonas HII son fuentes de información sobre la abundancia de helio primordial. Para cada objeto de su espectro, se determina la metalicidad (Z) y la concentración de He (Y). Extrapolando el diagrama YZ de cierta manera a Z=0, se obtiene una estimación del helio primordial.

El valor final de Yp varía de un grupo de observadores a otro y de un período de observación a otro. Entonces, uno, compuesto por los especialistas más autorizados en este campo: Izotova y Thuan ( Thuan ) obtuvieron el valor de Y p = 0.245±0.004 [67] para galaxias BCDG, para zonas HII en el momento (2010) se establecieron en el valor de Yp = 0,2565 ±0,006 [68] . Otro grupo autorizado dirigido por Peimbert ( Peimbert ) también obtuvo diferentes valores de Y p , desde 0,228±0,007 hasta 0,251±0,006 [69] .

Modelos teóricos

De todo el conjunto de datos observacionales para construir y confirmar teorías, los principales son los siguientes:

Todas las observaciones relacionadas con la escala de distancia . Son sus resultados los que dan los valores de la constante H de Hubble , en la ley que lleva su nombre: $cz=H_{0}D,$ , donde z es el corrimiento al rojo de la galaxia, D es la distancia a ella, c es la velocidad de la luz .
La edad del Universo, obtenida a partir de la ley de expansión, debe ser estrictamente mayor que la edad de los objetos más antiguos. (Por ejemplo, a partir de observaciones de cúmulos de estrellas )
Medidas de la abundancia inicial de elementos. (Por ejemplo, a partir de observaciones de galaxias BCDG y enanas G ).
Datos de fondo de la reliquia.
Datos sobre la evolución de estructuras de gran escala. (Además de las observaciones directas de la estructura , las fuentes de datos pueden ser muy diversas, desde observaciones de objetos individuales hasta el fondo).

Su interpretación comienza con el principio cósmico , según el cual cada observador en el mismo momento, independientemente del lugar y la dirección de observación, descubre en promedio la misma imagen. Es decir, a gran escala, el Universo es espacialmente homogéneo e isótropo. Tenga en cuenta que esta declaración no prohíbe la falta de homogeneidad en el tiempo, es decir, la existencia de secuencias distinguidas de eventos accesibles a todos los observadores.

Los defensores de las teorías de un Universo estacionario a veces formulan un "principio cosmológico perfecto", según el cual el espacio-tiempo de cuatro dimensiones debería tener las propiedades de homogeneidad e isotropía. Sin embargo, los procesos evolutivos observados en el Universo no parecen ser consistentes con tal principio cosmológico.

En el caso general, las siguientes teorías y secciones de la física se utilizan para construir modelos:

Física estadística del equilibrio, sus conceptos y principios básicos, así como la teoría de los gases relativistas.
La teoría de la gravedad, generalmente GR. Aunque sus efectos solo han sido probados a escala del sistema solar [70] [comm. 2] , y su uso a escala de galaxias y del Universo en su conjunto puede ser cuestionado.
Alguna información de la física de partículas elementales: una lista de partículas básicas, sus características, tipos de interacción, leyes de conservación. Los modelos cosmológicos serían mucho más simples si el protón no fuera una partícula estable y se desintegrara [71] , lo que no está confirmado por los experimentos modernos en los laboratorios físicos.

Por el momento, el conjunto de modelos que mejor explican los datos observacionales es:

La teoría del Big Bang. Describe la composición química del universo .	Teoría de la etapa de inflación. Explica el motivo de la prórroga .	Modelo de extensión de Friedman. Describe la extensión .	Teoría jerárquica. Describe la estructura a gran escala .

nota: el color verde significa teorías absolutamente dominantes; ámbar - reconocido por muchos, pero ampliamente discutido; escarlata - experimentando grandes problemas últimamente, pero apoyado por muchos teóricos.

Modelo de universo en expansión

El modelo del Universo en expansión describe el hecho mismo de la expansión. En el caso general, no se considera cuándo y por qué el Universo comenzó a expandirse. La mayoría de los modelos se basan en la relatividad general y su visión geométrica de la naturaleza de la gravedad.

Si se considera un medio en expansión isotrópica en un sistema de coordenadas rígidamente conectado con la materia, entonces la expansión del Universo se reduce formalmente a un cambio en el factor de escala de toda la cuadrícula de coordenadas, en cuyos nodos se "plantan" las galaxias. Tal sistema de coordenadas se llama acompañante . El origen de la referencia suele estar unido al observador.

modelo de Friedman

Escenario	Evolución $a(\eta)$	parámetro de Hubble
inflacionista	$a\propto e^{{Ht}}$	$H^{2}={\frac {8\pi }{3}}{\frac {\rho _{vac}}{M_{pl}^{2}}}$
Dominancia de la radiación p=ρ/3	$a\propto t^{\frac {1}{2}}$	$H={\ fracción {1}{2t}}$
Etapa de polvo p=const	$a\propto t^{\frac {2}{3}}$	$H={\ fracción {2}{3t}}$
$\lambda$ -dominio	$a\propto e^{{Ht}}$	$H^{2}={\frac{8\pi }{3}}G\rho_{\Lambda}$

En el marco de la relatividad general, toda la dinámica del Universo puede reducirse a simples ecuaciones diferenciales para el factor de escala [72] . $a)$

En un espacio tetradimensional homogéneo, isotrópico y con curvatura constante, la distancia entre dos puntos infinitamente cercanos se puede escribir de la siguiente manera:

ds^{2}=dt^{2}-a^{2}(t)\left(dx^{2}+k{\frac {(xdx)^{2}}{1-kx^ {2}}}\derecho),

donde k toma el valor:

k = 0 para un plano tridimensional, k = 1 para una esfera 3D, k = −1 para una hiperesfera tridimensional,

${\ estilo de visualización x = \ {x_ {1}, x_ {2}, x_ {3} \}}$ es un radio vector tridimensional en coordenadas cuasi-cartesianas.

Si la expresión de la métrica se sustituye en las ecuaciones GR, entonces obtenemos el siguiente sistema de ecuaciones:

Ecuación de energía

\left({\frac {\dot {a}}{a}}\right)^{2}={\frac {8\pi G\rho }{3}}-\left({\frac {kc^{2}}{a^{2}}}\right)+{\frac {\Lambda c^{2}}{3}}),

Ecuación de movimiento

{\frac {\ddot {a}}{a}}=-{\frac {4\pi G}{3}}\left(\rho +{\frac {3P}{c^{2} }}\derecha)+{\frac {\Lambda c^{2}}{3}}.

Ecuación de continuidad

{\frac {d\rho }{dt}}=-3H\left(\rho +{\frac {P}{c^{2}}}\right),

donde es la constante cosmológica , es la densidad media del Universo, es la presión, es la velocidad de la luz. ${\ estilo de visualización \ Lambda}$ $\rho$ $PAGS$ $C$

El sistema de ecuaciones dado admite muchas soluciones, dependiendo de los parámetros elegidos. De hecho, los valores de los parámetros se fijan solo en el momento actual y evolucionan con el tiempo, por lo que la evolución de la extensión se describe mediante un conjunto de soluciones [72] .

Explicación de la ley de Hubble

Suponga que hay una fuente ubicada en el sistema comóvil a una distancia r 1 del observador. El equipo receptor del observador registra la fase de la onda entrante. Considere dos intervalos entre puntos con la misma fase [72] :

{\frac {\delta t_{1}}{\delta t_{0}}}={\frac {\nu_{0}}{\nu_{1}}}\equiv 1+z.

Por otro lado, para una onda de luz en la métrica aceptada, se cumple la siguiente igualdad:

dt=\pm a(t){\frac {dr}{\sqrt {1-kr^{2)))).

Si integramos esta ecuación y recordamos que en las coordenadas comóviles r no depende del tiempo, entonces, bajo la condición de que la longitud de onda sea pequeña en relación con el radio de curvatura del Universo, obtenemos la relación:

{\frac {\delta t_{1}}{a(t_{1})}}={\frac {\delta t_{0}}{a(t_{0}}))).

Si ahora lo sustituimos en la proporción original:

1+z={\frac {a(t_{0})}{a(t_{1})))).

Tras expandir el lado derecho en una serie de Taylor, teniendo en cuenta el término de primer orden de pequeñez, obtenemos una relación que coincide exactamente con la ley de Hubble. Donde la constante H toma la forma:

H={\frac {{\dot {a}}(t)}{a(t))).

ΛCDM

Parámetros cosmológicos según datos WMAP y Planck
	WMAP [8]	plancha [73]
Edad del Universo t 0 mil millones de años	13,75±0,13	13,81±0,06
H 0 km/s/MPc	71,0±2,5	67,4±1,4
Densidad de la materia bariónica Ω b h 2	0,0226±0,0006	0,0221±0,0003
Densidad de materia oscura Ω con h 2	0,111±0,006	0,120±0,003
Densidad total Ω t	1.08+0.09 -0.07	1,0±0,02
Densidad de la materia bariónica Ω b	0,045±0,003
Densidad de energía oscura Ω Λ	0,73±0,03	0,69±0,02
Densidad de materia oscura Ω c	0,22±0,03

Como ya se mencionó, las ecuaciones de Friedmann admiten muchas soluciones, dependiendo de los parámetros. Y el modelo ΛCDM moderno es el modelo de Friedman con parámetros generalmente aceptados. Por lo general, en el trabajo de los observadores se dan en términos de densidad crítica [72] :

\rho _{cr}={\frac {3H_{0}^{2}}{8\pi G)).

Si expresamos el lado izquierdo de la ley de Hubble, luego de la reducción obtenemos la siguiente forma:

1=\Omega _{m}+\Omega _{k}+\Omega _{{\Lambda)),

donde Ω metro =ρ/ρ cr , Ω k = -(kc 2 )/(a 2 H 2 ) , Ω Λ =(8πGΛc 2 )/ρ cr . De esta entrada se puede ver que si Ω m + Ω Λ = 1 , es decir, la densidad total de materia y energía oscura es igual a la crítica, entonces k = 0 , es decir, el espacio es plano, si es más, entonces k = 1 , si menos k=-1

En el modelo moderno de expansión generalmente aceptado, la constante cosmológica es positiva y significativamente diferente de cero, es decir, las fuerzas antigravedad surgen a gran escala. Se desconoce la naturaleza de tales fuerzas, teóricamente tal efecto podría explicarse por la acción del vacío físico, pero la densidad de energía esperada resulta ser muchos órdenes de magnitud mayor que la energía correspondiente al valor observado de la constante cosmológica: el problema de la constante cosmológica [72] .

Las opciones restantes son actualmente solo de interés teórico, pero esto puede cambiar con la aparición de nuevos datos experimentales. La historia moderna de la cosmología ya conoce tales ejemplos: los modelos con una constante cosmológica cero dominaron incondicionalmente (aparte de un breve estallido de interés en otros modelos en la década de 1960) desde el descubrimiento del corrimiento al rojo cosmológico por Hubble hasta 1998, cuando los datos sobre el tipo Ia las supernovas los desmintieron de manera convincente [comm. 3] .

Mayor evolución de la expansión

El curso posterior de la expansión generalmente depende de los valores de la constante cosmológica Λ , la curvatura espacial k y la ecuación de estado P(ρ) . Sin embargo, la evolución de la extensión se puede estimar cualitativamente en base a supuestos bastante generales [72] .

Λ < 0

Si el valor de la constante cosmológica es negativo, entonces solo actúan fuerzas de atracción y nada más. El lado derecho de la ecuación de energía será no negativo solo en valores finitos de R. Esto significa que en algún valor de R c el Universo comenzará a contraerse en cualquier valor de k e independientemente de la forma de la ecuación de estado [74] .

Λ = 0

Si la constante cosmológica es igual a cero, entonces la evolución para un valor dado de H 0 depende enteramente de la densidad inicial de la materia [72] :

\left({\frac {da}{dt}}\right)^{2}=G{\frac {8\pi \rho_{0}a_{0}^{3}}{3a}}-a_ {0}^{2}H_{0}\left(\rho_{0}-{\frac {3H_{0}^{2}}{8\pi G}}\right).

Si , entonces la expansión continúa indefinidamente, en el límite con la tasa asintóticamente tendiendo a cero. Si la densidad es mayor que la crítica, entonces la expansión del Universo se ralentiza y es reemplazada por una contracción. Si es menor, la expansión continúa indefinidamente con un límite distinto de cero: . $\rho _{0}=\rho _{cr}$ $H$

Λ > 0

Si y , entonces el Universo se expande monótonamente, pero a diferencia del caso con Λ=0, para valores grandes de R, la tasa de expansión aumenta [74] : ${\ estilo de visualización \ Lambda > 0}$ ${\ estilo de visualización k \ leq 0}$

R\propto exp[(\Lambda /3)^{1/2}t].

Cuando el valor resaltado es . En este caso, existe un valor para el cual y , es decir, el Universo es estático. $k=1$ $\Lambda _{c}=4\pi G\rho$ $R$ $R'=0$ $R''=0$

En , la tasa de expansión disminuye hasta cierto momento y luego comienza a aumentar indefinidamente. Si supera ligeramente a , la tasa de expansión permanece prácticamente sin cambios durante algún tiempo. ${\ estilo de visualización \ Lambda > \ Lambda _ {c}}$ $\lambda$ ${\ estilo de visualización \ Lambda _ {c}}$

En el caso, todo depende del valor inicial a partir del cual se inició la expansión. Dependiendo de este valor, el Universo se expandirá hasta cierto tamaño y luego se contraerá, o se expandirá indefinidamente. ${\ estilo de visualización \ Lambda </ Lambda _ {c}}$ $R$

La teoría del Big Bang (modelo de universo caliente)

La Teoría del Big Bang es la teoría de la nucleosíntesis primordial . Responde a la pregunta: cómo se formaron los elementos químicos y por qué su prevalencia es exactamente la misma que se observa ahora. Se basa en la extrapolación de las leyes de la física nuclear y cuántica, en la suposición de que cuando se viaja al pasado, la energía promedio de las partículas (temperatura) aumenta [75] .

El límite de aplicabilidad es la región de altas energías, por encima de la cual las leyes estudiadas dejan de funcionar. Al mismo tiempo, ya no existe ninguna sustancia como tal, sino prácticamente pura energía. Si extrapolamos la ley de Hubble a ese momento, resulta que la región visible del Universo se encuentra en un pequeño volumen. El volumen pequeño y la alta energía son un estado característico de la materia después de una explosión, de ahí el nombre de la teoría: la teoría del Big Bang. Al mismo tiempo, la respuesta a la pregunta: "¿Qué causó esta explosión y cuál es su naturaleza?" queda fuera del alcance.

Además, la teoría del Big Bang predijo y explicó el origen de la radiación de fondo cósmico de microondas: este es el legado del momento en que toda la materia aún estaba ionizada y no podía resistir la presión de la luz. En otras palabras, el fondo relicto es el remanente de la "fotosfera del Universo".

Entropía del Universo

El principal argumento que confirma la teoría del Universo caliente es el valor de su entropía específica . Es igual a la relación entre la concentración de fotones de equilibrio n γ y la concentración de bariones n b , hasta un coeficiente numérico .

Expresemos n b en términos de la densidad crítica y la fracción de bariones [72] :

n_{b}={\frac {\rho _{c}r}{m_{p))}=1{,}124\cdot 10^{-5}\Omega _{b}h_{100}^{ 2},

donde h 100 es el valor del Hubble moderno, expresado en unidades de 100 km/(s Mpc), y dado que para el fondo cósmico de microondas con T = 2,73 K

n_{\gamma}\aprox. 420(1+z)^{3}

cm -3,

obtenemos:

\eta \simeq n_{b}/n_{\gamma }\approx 2{,}7\cdot 10^{-8}\Omega _{b}h_{100}^{2}\sim 10^{-9 }.

El valor recíproco es el valor de la entropía específica.

Primeros tres minutos. Nucleosíntesis primaria

Presuntamente, desde el comienzo del nacimiento (o al menos desde el final de la etapa inflacionaria) y durante el tiempo hasta que la temperatura permanece por debajo de 10 16 GeV (10 −10 s), todas las partículas elementales conocidas están presentes, y todas ellas tienen sin masa. Este período se llama el período de la Gran Unificación, cuando las interacciones electrodébiles y fuertes se unen [76] .

Por el momento, es imposible decir exactamente qué partículas están presentes en ese momento, pero aún se sabe algo. El valor de η no es solo un indicador de la entropía específica, sino que también caracteriza el exceso de partículas sobre antipartículas [77] :

{\frac {n_{p}-n_{\bar {p}}}{n_{p}}}=10^{-9}.

En el momento en que la temperatura cae por debajo de 10 15 GeV , es probable que se liberen bosones X e Y con masas correspondientes .

La era de la Gran Unificación es reemplazada por la era de la unificación electrodébil, cuando las interacciones electromagnética y débil representan un todo único. En esta era, tiene lugar la aniquilación de los bosones X e Y. En el momento en que la temperatura desciende a 100 GeV , termina la época de unificación electrodébil, se forman quarks, leptones y bosones intermedios.

Se acerca la era de los hadrones, la era de la producción activa y la aniquilación de hadrones y leptones. En esta época se destaca el momento de la transición quark-hadron o el momento del confinamiento de los quarks , cuando se hizo posible la fusión de quarks en hadrones. En este momento, la temperatura es de 300-1000 MeV y el tiempo desde el nacimiento del Universo es de 10 −6 s .

La época de la era de los hadrones es heredada por la era de los leptones, en el momento en que la temperatura cae al nivel de 100 MeV , y en el reloj 10 −4 s . En esta era, la composición del universo empieza a parecerse a la moderna; las partículas principales son los fotones, además de ellos solo hay electrones y neutrinos con sus antipartículas, así como protones y neutrones. Durante este período, ocurre un evento importante: la sustancia se vuelve transparente a los neutrinos. Hay algo así como un fondo relicto, pero para neutrinos. Pero como la separación de neutrinos se produjo antes que la separación de fotones, cuando algunos tipos de partículas aún no se habían aniquilado, cediendo su energía al resto, se enfriaban más. A estas alturas, el gas de neutrino debería haberse enfriado a 1,9 K si los neutrinos no tienen masa (o sus masas son insignificantes).

A una temperatura T≈0,7 MeV , el equilibrio termodinámico entre protones y neutrones, que existía antes, se viola y la proporción de la concentración de neutrones y protones se congela en un valor de 0,19. Comienza la síntesis de núcleos de deuterio, helio, litio. Después de ~200 segundos después del nacimiento del Universo, la temperatura desciende a valores en los que ya no es posible la nucleosíntesis, y la composición química de la materia permanece invariable hasta el nacimiento de las primeras estrellas [76] .

Problemas de la teoría del Big Bang

A pesar de los importantes avances, la teoría del universo caliente se enfrenta a una serie de dificultades. Si el Big Bang provocó la expansión del Universo, entonces, en el caso general, podría surgir una fuerte distribución no homogénea de la materia, que no se observa. La teoría del Big Bang tampoco explica la expansión del Universo, la acepta como un hecho [78] .

La teoría también asume que la proporción del número de partículas y antipartículas en la etapa inicial fue tal que resultó en el predominio moderno de la materia sobre la antimateria. Se puede suponer que al principio el Universo era simétrico: había la misma cantidad de materia y antimateria, pero luego, para explicar la asimetría bariónica , se necesita algún mecanismo de bariogénesis , que debería conducir a la posibilidad de la descomposición del protón. , que tampoco se observa [71] .

Varias teorías de la Gran Unificación sugieren el nacimiento en el Universo primitivo de una gran cantidad de monopolos magnéticos , que tampoco han sido descubiertos hasta ahora [79] .

modelo de inflación

La tarea de la teoría de la inflación es responder a las preguntas dejadas por la teoría de la expansión y la teoría del Big Bang: “¿Por qué se expande el Universo? ¿Y qué es el Big Bang? Para hacer esto, la expansión se extrapola al punto cero en el tiempo y toda la masa del Universo está en un punto, formando una singularidad cosmológica, a menudo llamada Big Bang. Aparentemente, la teoría general de la relatividad en ese momento ya no es aplicable, lo que conduce a numerosos, pero hasta ahora, solo intentos puramente especulativos de desarrollar una teoría más general (o incluso una "nueva física") que resuelva este problema de la singularidad cosmológica .

La idea principal de la etapa inflacionaria es que si introducimos un campo escalar llamado inflanton , cuyo impacto es fuerte en las etapas iniciales (a partir de unos 10 −42 s), pero decrece rápidamente con el tiempo, entonces la geometría plana del espacio puede explicarse, mientras que la expansión de Hubble se convierte en movimiento por inercia debido a la gran energía cinética acumulada durante la inflación, y el origen de una pequeña región inicialmente conectada causalmente explica la uniformidad y la isotropía del Universo [80] .

Sin embargo, hay muchas formas de establecer un inflatón, lo que a su vez da lugar a una gran cantidad de modelos. Pero la mayoría se basa en la suposición de un rodamiento lento: el potencial del inflantón decrece lentamente hasta un valor igual a cero. El tipo específico de potencial y el método para establecer los valores iniciales dependen de la teoría elegida.

Las teorías de la inflación también se dividen en infinitas y finitas en el tiempo. En una teoría con inflación infinita, hay regiones del espacio - dominios - que comenzaron a expandirse, pero debido a las fluctuaciones cuánticas volvieron a su estado original, en las que se dan las condiciones para la inflación repetida. Tales teorías incluyen cualquier teoría con potencial infinito y la teoría de la inflación caótica de Linde [80] .

Las teorías con un tiempo de inflación finito incluyen el modelo híbrido. Hay dos tipos de campos en él: el primero es responsable de las grandes energías (y por lo tanto de la tasa de expansión), y el segundo de las pequeñas, que determinan el momento en que termina la inflación. En este caso, las fluctuaciones cuánticas pueden afectar solo al primer campo, pero no al segundo y, por lo tanto, el proceso de inflación en sí mismo es finito.

Los problemas no resueltos de la inflación incluyen saltos de temperatura en un rango muy amplio, en algún momento cae casi al cero absoluto. Al final del inflado, la sustancia se recalienta a altas temperaturas. El papel de una posible explicación para un comportamiento tan extraño se propone "resonancia paramétrica" [81] .

multiverso

"Multiverso", "Gran Universo", "Multiverso", "Hiperuniverso", "Superuniverso", "Multiverso", "Omniverso" son varias traducciones del término inglés multiverso. Apareció durante el desarrollo de la teoría de la inflación [82] .

Las regiones del universo separadas por distancias mayores que el tamaño del horizonte de eventos evolucionan independientemente unas de otras. Cualquier observador ve solo aquellos procesos que ocurren en un dominio igual en volumen a una esfera con un radio igual a la distancia al horizonte de partículas. En la época de inflación, dos regiones de expansión, separadas por una distancia del orden del horizonte, no se cruzan.

Dichos dominios pueden considerarse como universos separados como el nuestro: son igualmente uniformes e isotrópicos a gran escala. El conglomerado de tales formaciones es el Multiverso.

La teoría caótica de la inflación asume una variedad infinita de Universos, cada uno de los cuales puede tener diferentes constantes físicas de otros Universos [83] . En otra teoría , los universos difieren en su dimensión cuántica [84] . Por definición, estas suposiciones no pueden probarse experimentalmente.

Alternativas a la teoría de la inflación

El modelo de inflación cósmica es bastante exitoso, pero no es necesario para la consideración de la cosmología. Ella tiene oponentes, incluido Roger Penrose . Su argumento se reduce al hecho de que las soluciones propuestas por el modelo inflacionario dejan atrás detalles perdidos. Por ejemplo, esta teoría no ofrece ninguna justificación fundamental de que las perturbaciones de densidad en la etapa preinflacionaria deban ser tan pequeñas como para que surja un grado observable de homogeneidad después de la inflación. La situación es similar con la curvatura espacial: disminuye mucho durante la inflación, pero nada impidió que fuera tan importante antes de la inflación que todavía se manifiesta en la etapa actual del desarrollo del Universo. En otras palabras, el problema de los valores iniciales no se resuelve, sino que solo se cubre hábilmente.

Como alternativa, se proponen teorías exóticas como la teoría de cuerdas y la teoría de branas , y la teoría cíclica . La idea principal de estas teorías es que todos los valores iniciales necesarios se forman antes del Big Bang.

La teoría de cuerdas requiere agregar algunas dimensiones más al espacio-tiempo de cuatro dimensiones habitual, que habría desempeñado un papel en la etapa inicial del Universo, pero ahora se encuentra en un estado compacto. A la inevitable pregunta de por qué se compactan estas dimensiones, se propone la siguiente respuesta: las supercuerdas tienen T-dualidad , en conexión con la cual la cuerda se "enrolla" en dimensiones adicionales, limitando su tamaño [85] .
En la teoría de las branas (teoría M), todo comienza con un espacio-tiempo frío y estático de cinco dimensiones. Las cuatro dimensiones espaciales están limitadas por paredes tridimensionales o tribranas ; una de estas paredes es el espacio en el que vivimos, mientras que la segunda brana está oculta a la percepción. Hay otra brana de tres "perdidas" en algún lugar entre las dos branas límite en el espacio de cuatro dimensiones. Según la teoría, cuando esta brana choca con la nuestra, se libera una gran cantidad de energía y así se forman las condiciones para el surgimiento del Big Bang [86] .
Las teorías cíclicas postulan que el Big Bang no es único en su género, sino que implica la transición del Universo de un estado a otro. Las teorías cíclicas se propusieron por primera vez en la década de 1930. El escollo de tales teorías fue la segunda ley de la termodinámica , según la cual la entropía solo puede aumentar. Esto significa que los ciclos anteriores habrían sido mucho más cortos y la materia en ellos habría estado mucho más caliente que en el momento del último Big Bang, lo cual es poco probable. En la actualidad, existen dos teorías de tipo cíclico que han logrado resolver el problema de la entropía cada vez mayor: la teoría de Steinhardt-Turok y la teoría de Baum-Frampton [87] [88] .

La teoría de la evolución de las estructuras a gran escala.

Como muestran los datos sobre el fondo de fondo, en el momento de la separación de la radiación de la materia, el Universo era realmente homogéneo, las fluctuaciones de la materia eran extremadamente pequeñas, y esto es un problema importante. El segundo problema es la estructura celular de los supercúmulos de galaxias y, al mismo tiempo, la estructura esférica de los cúmulos más pequeños. Cualquier teoría que intente explicar el origen de la estructura a gran escala del universo debe necesariamente resolver estos dos problemas (además de modelar correctamente la morfología de las galaxias).

La teoría moderna de la formación de una estructura a gran escala, así como de galaxias individuales, se denomina "teoría jerárquica". La esencia de la teoría se reduce a lo siguiente: al principio, las galaxias eran de tamaño pequeño (como las nubes de Magallanes ), pero con el tiempo se fusionan, formando galaxias cada vez más grandes.

Recientemente, se ha cuestionado la validez de la teoría, y la reducción de personal ha contribuido en gran medida a ello . Sin embargo, en los estudios teóricos esta teoría es dominante. El ejemplo más sorprendente de este tipo de investigación es la simulación Millennium (Millennium run) [89] .

Provisiones generales

La teoría clásica del origen y evolución de las fluctuaciones en el Universo primitivo es la teoría de Jeans en el contexto de la expansión de un Universo isótropo homogéneo [90] :

\vartriangle \Phi =4\pi G\rho \delta ,

{\frac {\parcial \delta}{\parcial t))+Hx\triangledown \delta +\triangledown v=0,

{\frac {\parcial v}{\parcial t))+Hv+H(x\triangledown)v=-u_{s}^{2}\triangledown \delta -\triangledown \Phi ,

donde u s es la velocidad del sonido en el medio, G es la constante gravitacional y ρ es la densidad del medio no perturbado, es la magnitud de la fluctuación relativa, Φ es el potencial gravitatorio creado por el medio, v es la velocidad del medio, p(x,t) es la densidad local del medio, y la consideración tiene lugar en el sistema de coordenadas comomóvil. $\delta ={\frac {\delta \rho }{\rho }}.$

El sistema de ecuaciones dado se puede reducir a uno, que describe la evolución de las heterogeneidades:

{\frac {\parcial ^{2}\delta }{\parcial t^{2))}+2H{\frac {\parcial \delta }{\parcial t))+\left({\frac {k^{2}}{a^{2}}}u_{s}^{2}-4\pi G\rho \right)\delta =0,

donde a es el factor de escala y k es el vector de onda. De él, en particular, se deduce que son inestables las fluctuaciones cuyo tamaño supera:

\lambda >\lambda _{J}={\sqrt {\frac {u_{s}^{2}\pi }{G\rho }}}.

En este caso, la perturbación crece linealmente o más débil, dependiendo de la evolución del parámetro de Hubble y la densidad de energía.

Este modelo describe adecuadamente el colapso de las perturbaciones en un medio no relativista si su tamaño es mucho más pequeño que el horizonte de eventos actual (incluso para la materia oscura durante la etapa dominada por la radiación). Para los casos contrarios, es necesario considerar las ecuaciones relativistas exactas. El tensor de energía-momento de un fluido ideal con tolerancia para pequeñas perturbaciones de densidad

T_{\nu }^{\mu }=(\rho +\delta \rho +p+\delta p)u^{\mu }u_{\nu }-\delta _{\nu }^{\mu }( p+\delta p)

se conserva covariantemente, de donde se siguen las ecuaciones hidrodinámicas generalizadas para el caso relativista. Junto con las ecuaciones GR, representan el sistema original de ecuaciones que determinan la evolución de las fluctuaciones en la cosmología en el contexto de la solución de Friedman [90] .

Época antes de la recombinación

El momento seleccionado en la evolución de la estructura a gran escala del Universo puede considerarse el momento de la recombinación del hidrógeno. Hasta este punto, algunos mecanismos operan, después, completamente diferentes [91] .

Las ondas de densidad iniciales son más grandes que el horizonte de eventos y no afectan la densidad de la materia en el Universo. Pero a medida que se expande, el tamaño del horizonte se compara con la longitud de onda de la perturbación, como dicen, "la onda sale del horizonte" o "entra en el horizonte". Después de eso, el proceso de su expansión es la propagación de una onda de sonido sobre un fondo en expansión.

En esta época entran por debajo del horizonte ondas con una longitud de onda no superior a 790 Mpc para la época actual. Las ondas importantes para la formación de galaxias y sus cúmulos entran al comienzo de esta etapa.

En este momento, la materia es un plasma multicomponente, en el que existen muchos mecanismos efectivos diferentes para amortiguar todas las perturbaciones sonoras. Quizás el más eficaz entre ellos en cosmología es la amortiguación de seda . Después de que se suprimen todas las perturbaciones del sonido, solo quedan las perturbaciones adiabáticas.

Durante algún tiempo, la evolución de la materia ordinaria y oscura transcurre sincrónicamente, pero debido a la interacción con la radiación, la temperatura de la materia ordinaria desciende más lentamente. Hay una separación cinemática y térmica de la materia oscura y la materia bariónica. Se supone que este momento ocurre cuando ${\ estilo de visualización z = 10 ^ {5}.}$

El comportamiento del componente bariónico-fotónico después de la separación y hasta el final de la etapa radiativa se describe mediante la ecuación [91] :

\Phi ''+{\frac {4}{\eta }}\Phi '+u_{s}^{2}k^{2}\Phi =0,

donde k es el momento de la onda considerada, η es el tiempo conforme. De su solución se deduce que en esa época la amplitud de las perturbaciones en la densidad de la componente bariónica no aumentó ni disminuyó, sino que experimentó oscilaciones acústicas:

\delta _{rad}\propto-cos(u_{s}k\eta ).

Al mismo tiempo, la materia oscura no experimentó tales oscilaciones, ya que ni la presión de la luz, ni la presión de los bariones y electrones la afectan. Además, la amplitud de sus perturbaciones crece:

\delta _{CDM}\propto ln(k\eta ).

Después de la recombinación

Después de la recombinación, la presión de los fotones y neutrinos sobre la materia es insignificante. En consecuencia, los sistemas de ecuaciones que describen las perturbaciones de la materia oscura y bariónica son similares:

\delta '-k^{2}v=3\Phi ',

v'+{\frac {2}{\eta }}v=-\Phi .

Ya por la similitud del tipo de ecuaciones, se puede asumir, y luego probar, que la diferencia en las fluctuaciones entre la materia oscura y bariónica tiende a una constante. En otras palabras, la materia ordinaria rueda hacia pozos potenciales formados por materia oscura. El crecimiento de las perturbaciones inmediatamente después de la recombinación está determinado por la solución

\delta =C_{1}+{\frac {\Omega _{B}}{\Omega _{CDM}}}C_{2}{\frac {1}{\eta }}+{\frac {C_{3}}{\eta ^{3}}}+C_{4}\eta ^{2},

donde son las constantes en función de los valores iniciales. Como se puede ver en lo anterior, en tiempos grandes las fluctuaciones de densidad crecen en proporción al factor de escala: $C_{yo}$

\delta \propto \eta ^{2}\propto a(\eta ).

Todas las tasas de crecimiento de perturbaciones dadas en este párrafo y en el anterior crecen con el número de onda , por lo tanto, con un espectro plano inicial de perturbaciones, las perturbaciones de las escalas espaciales más pequeñas entran antes en la etapa de colapso, es decir, los objetos con una masa más pequeña se forman primero. $k$

Para la astronomía, los objetos con una masa de ~10 5 Mʘ son de interés . El caso es que cuando la materia oscura colapsa, se forma un protohalo. El hidrógeno y el helio que tienden a su centro comienzan a irradiar, y en masas inferiores a 10 5 M ʘ , esta radiación arroja el gas hacia las afueras de la protoestructura. A masas mayores se inicia el proceso de formación de las primeras estrellas.

Una consecuencia importante del colapso inicial es que aparecen estrellas de gran masa, emitiendo en la parte dura del espectro. Los cuantos duros emitidos, a su vez, encuentran hidrógeno neutro y lo ionizan. Así, inmediatamente después del primer estallido de formación estelar, se produce una ionización secundaria del hidrógeno [91] .

Etapa de dominio de la energía oscura

Supongamos que la presión y densidad de la energía oscura no cambia con el tiempo, es decir, está descrita por una constante cosmológica. Entonces se deduce de las ecuaciones generales para las fluctuaciones en cosmología que las perturbaciones evolucionan de la siguiente manera:

\delta _{M}\propto a^{3}{\frac {k^{2}}{a^{2}}}\Phi .

Teniendo en cuenta que el potencial es inversamente proporcional al factor de escala , esto significa que el crecimiento de las perturbaciones no ocurre y su tamaño no cambia. Esto significa que la teoría jerárquica no permite estructuras más grandes que las observadas actualmente. $a$

En la era del dominio de la energía oscura, tienen lugar dos últimos eventos importantes para las estructuras a gran escala: la aparición de galaxias como la Vía Láctea, esto sucede en z~2, y un poco más tarde, la formación de cúmulos y supercúmulos de galaxias. [91] .

Problemas de teoría

La teoría jerárquica, que se deriva lógicamente de ideas modernas y comprobadas sobre la formación de estrellas y utiliza un gran arsenal de herramientas matemáticas, se ha encontrado recientemente con una serie de problemas, tanto teóricos como, lo que es más importante, de naturaleza observacional [89] :

El mayor problema teórico radica en el punto donde se fusionan la termodinámica y la mecánica: sin la introducción de fuerzas no físicas adicionales, es imposible forzar la fusión de dos halos de materia oscura.
Es más probable que los vacíos se formen más cerca de nuestro tiempo que de la recombinación, sin embargo, los espacios absolutamente vacíos recientemente descubiertos con dimensiones de 300 Mpc entran en disonancia con esta afirmación.
Además, las galaxias gigantes nacen en el momento equivocado, su número por unidad de volumen en z grande es mucho mayor de lo que predice la teoría. Es más, se mantiene igual cuando teóricamente debería crecer muy rápido.
Los datos sobre los cúmulos globulares más antiguos no quieren tolerar un estallido de formación estelar de 100 Mʘ y prefieren estrellas como nuestro Sol.

Y esto es sólo una parte de los problemas que enfrentó la teoría.

Problemas de los modelos modernos.

Si extrapolas la ley de Hubble hacia atrás en el tiempo, terminas con un punto, una singularidad gravitatoria , llamada singularidad cosmológica . Este es un gran problema, ya que todo el aparato analítico de la física se vuelve inútil. Y aunque, siguiendo el camino de Gamow , propuesto en 1946, es posible extrapolar de forma fiable hasta que las leyes de la física moderna sean operativas, todavía no es posible determinar con precisión este momento de aparición de la “nueva física”. Se supone que en magnitud es igual al tiempo de Planck , s. $\sim 10^{-43}$

La cuestión de la forma del universo es una importante cuestión abierta en cosmología. Hablando matemáticamente, nos enfrentamos al problema de encontrar una topología tridimensional de la sección espacial del Universo, es decir, una figura que represente mejor el aspecto espacial del Universo. La teoría general de la relatividad como teoría local no puede dar una respuesta completa a esta pregunta, aunque también introduce algunas limitaciones.

En primer lugar, no se sabe si el universo es globalmente espacialmente plano, es decir, si las leyes de la geometría euclidiana se aplican a las escalas más grandes. Actualmente, la mayoría de los cosmólogos creen que el universo observable está muy cerca de ser espacialmente plano con pliegues locales donde los objetos masivos distorsionan el espacio-tiempo. Esta opinión ha sido confirmada por datos recientes de WMAP que analizan las "oscilaciones acústicas" en las desviaciones de temperatura del CMB.

En segundo lugar, no se sabe si el Universo es simplemente conexo o múltiplemente conexo. De acuerdo con el modelo de expansión estándar, el universo no tiene límites espaciales, pero puede ser espacialmente finito. Esto se puede entender con el ejemplo de una analogía bidimensional: la superficie de una esfera no tiene límites, pero tiene un área limitada, y la curvatura de la esfera es constante. Si el Universo es realmente espacialmente limitado, entonces en algunos de sus modelos, moviéndose en línea recta en cualquier dirección, se puede llegar al punto de partida del viaje (en algunos casos esto es imposible debido a la evolución del espacio-tiempo [ 92] ).

En tercer lugar, hay sugerencias de que el Universo nació originalmente girando. El concepto clásico de origen es la idea de la isotropía del Big Bang, es decir, la distribución de la energía por igual en todas las direcciones. Sin embargo, surgió una hipótesis en competencia y recibió cierta confirmación: un grupo de investigadores de la Universidad de Michigan, dirigido por el profesor de física Michael Longo (Michael Longo), descubrió que los brazos espirales de las galaxias, torcidos en sentido contrario a las agujas del reloj, son un 7 % más comunes que las galaxias. con "orientación opuesta", lo que puede indicar la presencia del momento inicial de rotación del universo. Esta hipótesis también debe ser probada por observaciones en el Hemisferio Sur [93] .

La historia del descubrimiento del universo.

Cosmografía antigua y astronomía temprana

Civilizaciones de Asia y el Mediterráneo Mesopotamia

En un área relativamente pequeña entre el Tigris y el Éufrates , existieron varias culturas, reemplazándose sucesivamente entre sí. Sus puntos de vista cosmogónicos son similares entre sí. Los nombres de los dioses cambiaron, algunos detalles, pero se conservó la esencia.

Según la descripción de Diodorus Siculus entre los pueblos de Mesopotamia, el universo se divide en tres mundos: el mundo celestial del dios Anu , el mundo terrenal de Bel , identificado con Enlil , y el inframundo, donde gobierna Ea . El segundo mundo, sobre el suelo, es como una montaña y parece una barcaza redonda volcada, ahuecada desde abajo. El mundo celeste repite la forma del terrestre, disociándose de él por el océano celeste . El sol se mueve de este a oeste, siguiendo el camino marcado para él, al igual que las estrellas [94] [95] .

En cuanto al conocimiento astronómico, los datos sobre el mismo son muy fragmentarios. En primer lugar, la datación de las fuentes más antiguas y, de hecho, las únicas sobre este tema mul APIN y el Astrolabio es extremadamente inexacta y puede diferir por milenios en diferentes trabajos, aunque la mayoría de los investigadores tienden al período casita. En segundo lugar, los objetos descritos en astrolabios y mul APIN aún están parcialmente identificados, aunque se han planteado muchas hipótesis. En tercer lugar, aparte del hecho de la inmovilidad de las estrellas, no se puede obtener información de estas fuentes sobre las ideas de los antiguos astrónomos babilónicos: no se da ninguna explicación sobre el movimiento de los planetas y no hay información sobre el movimiento propio de los planetas. las estrellas, que los babilonios podían detectar, dado el período y la precisión de la observación.

Tampoco hay datos fiables sobre cómo se calculó el movimiento de las estrellas. Algunos investigadores argumentan que los babilonios ya usaban un sistema de coordenadas esféricas, pero los oponentes, basándose en una contradicción con los puntos de vista cosmogónicos y otras inconsistencias, cuestionan este punto de vista [94] .

Antiguo Egipto

En la mitología egipcia, no había ideas unificadas sobre la creación del mundo . Había varias versiones diferentes [96] .

Entonces, en uno, pusieron al dios solar Ra en el centro del universo y lo consideraron el padre de todos los demás dioses. Él y ocho de sus descendientes formaron la llamada enéada de Heliópolis . Según la leyenda de Heliópolis, Atum apareció de las aguas primordiales , y por su voluntad, la piedra sagrada Benben comenzó a crecer de ellas . De pie en su cima, Atum dio a luz a Shu , el dios del aire, y Tefnut , la diosa de la humedad. Esta pareja dio a luz a sus hijos, Geb , dios de la tierra, y Nut , diosa del cielo. Estas primeras generaciones de dioses representan la base de la creación en la enéada. Geb y Nut produjeron a Osiris , Isis , Set y Neftis , que representan respectivamente la fértil llanura aluvial del Nilo y el árido desierto.

La versión opuesta existía en la ciudad de Hermópolis, donde se creía que el mundo provenía de ocho deidades antiguas, las llamadas ogdoad . Este ocho constaba de cuatro pares de dioses y diosas, que simbolizan los elementos de la creación. Nun y Naunet corresponden a las aguas primordiales, Hu y Howhet a la infinidad del espacio, Kuk y Kauket a la oscuridad eterna. La cuarta pareja cambió varias veces, pero a partir del Reino Nuevo , está formada por Amón y Amaunet , personificando la invisibilidad y el aire. Según la versión germánica, estas deidades eran las madres y los padres del dios sol, que trajo la luz y más creación al mundo.

El espacio del mundo no era homogéneo e isotrópico para los egipcios. Cada gran templo era considerado un lugar especial, un “coágulo de ser”. Las pirámides con su topología compleja y misteriosa también eran lugares especiales. Y la influencia de la dirección del Nilo de sur a norte fue extremadamente fuerte. Tanto es así que cuando las tropas egipcias vieron el Éufrates fluir en dirección opuesta, lo llamaron río invertido (Mu kedu, lit. "Agua invertida", translit. Egipcio mw-qd.w) [97] .

De los textos astronómicos en el original, nada ha sobrevivido hasta nuestros días, a excepción de las pinturas artísticas en los sarcófagos del Reino Medio y las inscripciones del Reino Nuevo. Además, los mapas de los “decanos” se pueden atribuir a documentos astronómicos. Aparentemente estamos hablando de estrellas o constelaciones, pero solo Sirius y Orion pueden identificarse con seguridad. Quizás los antiguos egipcios tenían su propia forma de calcular la posición de los decanatos, significativamente diferente a la nuestra y perdida a principios del Reino Medio [98] .

Antigua Grecia

La antigua Grecia, como muchas otras civilizaciones antiguas, creó su propia idea del universo. Pero la singularidad de la antigua Grecia era que tenía más de un modelo: diferentes escuelas filosóficas presentaban modelos del mundo extremadamente diferentes, y cada uno se argumentaba de una forma u otra.

Las primeras escuelas filosóficas destacaron ciertas sustancias o figuras como fundamentales. A través de estos cimientos se construyeron las primeras ideas sobre el Universo. Entonces, entonces el disco de la tierra flota en el agua , como fue el caso de Tales , luego solo un cilindro flota en el espacio infinito, como fue el caso de Anaximandro , etc.

Los pitagóricos propusieron un modelo pirocéntrico del Universo en el que las estrellas, el Sol, la Luna y seis planetas giran alrededor del Fuego Central (Hestia). Para obtener un número sagrado -diez- esferas en total, la Contra-Tierra (Antichthon) fue declarada el sexto planeta. Tanto el Sol como la Luna, según esta teoría, brillaban con la luz reflejada de Hestia [99] . Este sistema del mundo fue descrito por Filolao .

La mayoría de los científicos griegos antiguos, sin embargo, eran partidarios del sistema geocéntrico del mundo , también fundado por los pitagóricos.

Las distancias entre las luminarias de los pitagóricos correspondían a los intervalos musicales de la escala; cuando giran, suena la “música de las esferas”, que no escuchamos. Los pitagóricos consideraban que la Tierra era esférica, y algunos de ellos ( Ekfant y Hyket ) incluso giraban alrededor de un eje, por lo que se produce el cambio de día y noche.

Platón analizó el mundo entero a través del prisma de sus ideas sobre la esencia espiritual. Inevitablemente, esto también afectó la estructura del mundo. Sus estrellas eran "entidades divinas" con cuerpo y alma. Su forma visible es el fuego, y brilla para que se vean más brillantes y hermosos. Y para parecerse al Todo, fueron creados esféricos. El cosmos en opinión de Platón no es eterno, ya que todo lo que se siente es una cosa, y las cosas envejecen y mueren. Además, el Tiempo mismo nació junto con el Cosmos.

Platón fue el primero en proponer la descomposición de los movimientos desiguales de las luminarias en movimientos "perfectos" en círculos. Eudoxo de Cnido respondió a esta llamada . En sus escritos no conservados, esbozó la teoría de las esferas homocéntricas , un esquema cinemático del movimiento planetario, que explica el movimiento retrógrado de los planetas (con varios movimientos circulares superpuestos) en solo cuatro esferas, en cuyo centro estaba la Tierra.

El sistema cosmológico, que fue de gran importancia en la Edad Media, fue creado por Aristóteles [100] . Creía que los cuerpos celestes son transportados en su movimiento por esferas celestes sólidas a las que están unidos. En su opinión, todo lo que se mueve es puesto en movimiento por algo externo que, a su vez, también es movido por algo, y así sucesivamente, hasta llegar al motor, que en sí mismo está inmóvil, al Prime Mover. Consideró que la tierra era inamovible.

Heraclid Pontus asumió la rotación de la Tierra alrededor de su eje. Además, sobre la base de la escasa información que nos ha llegado, se puede suponer que Heráclides consideraba que Venus y Mercurio giraban alrededor del Sol, el cual, a su vez, gira alrededor de la Tierra. Hay otra reconstrucción del sistema del mundo de Heráclides: tanto el Sol como Venus y la Tierra giran en círculos alrededor de un solo centro, y el período de una revolución de la Tierra es igual a un año [101] . En este caso, la teoría de Heráclides fue un desarrollo orgánico del sistema del mundo de Filolao y el predecesor inmediato del sistema heliocéntrico del mundo de Aristarco .

En la primera mitad del siglo III a. mi. Aristarco propuso el sistema heliocéntrico del mundo. Basado en el sistema heliocéntrico y la inobservabilidad de las paralajes anuales de las estrellas, concluyó que la distancia de la Tierra al Sol es insignificante en comparación con la distancia del Sol a las estrellas. Además, propuso un método para medir la distancia al Sol y la Luna y sus tamaños. Según él, la Tierra es 250 veces más pequeña que el Sol en volumen. Aunque se equivocó numéricamente, su método permitió establecer que la Tierra es mucho más pequeña que el Sol.

Del siglo III a.C. mi. La ciencia griega asimiló los logros de los babilonios, incluidos los logros en astronomía y matemáticas. Pero los griegos fueron mucho más allá. Hacia el 230 a.C. mi. Apolonio de Perga desarrolló un nuevo método para representar el movimiento periódico desigual a través de un círculo base, el deferente, y un círculo secundario que gira alrededor del deferente, el epiciclo; la luminaria misma se mueve a lo largo del epiciclo. Este método fue introducido en la astronomía por Hiparco , quien trabajó en Rodas.

En el siglo I a.C. mi. Gemin promulgó la opinión de que las estrellas solo parecen estar en la misma esfera, pero de hecho están ubicadas a diferentes distancias de la Tierra. Hay muchas razones para creer que esta opinión también se originó antes, en el siglo III o II a. es decir, ya que se asocia con la posibilidad de la existencia de movimientos propios de las estrellas, posibilidad que asumió Hiparco: la presencia de tales movimientos es incompatible con la idea de las estrellas como cuerpos fijos en una esfera.

Después de un largo declive a finales del siglo I a. mi. - principios del siglo II d.C. mi. se reanuda la exploración de los cielos y el desarrollo de modelos del mundo. Teón de Esmirna describe la teoría de las esferas anidadas , una teoría física que intenta explicar la teoría de los epiciclos. Su esencia es la siguiente. Imagina dos esferas concéntricas hechas de material sólido, entre las cuales se coloca una pequeña esfera. La media aritmética de los radios de las esferas grandes es el radio del deferente, y el radio de la esfera pequeña es el radio del epiciclo. Girar las dos esferas grandes hará que la esfera pequeña gire entre ellas. Si se coloca un planeta en el ecuador de una pequeña esfera, entonces su movimiento será exactamente el mismo que en la teoría de los epiciclos; así el epiciclo es el ecuador de una esfera menor.

Esta teoría, con algunas modificaciones, también fue seguida por Ptolomeo. Está descrito en su obra Hipótesis Planetarias [102] . Señala, en particular, que la distancia máxima a cada uno de los planetas es igual a la distancia mínima al planeta que le sigue, es decir, la distancia máxima a la Luna es igual a la distancia mínima a Mercurio, etc. Ptolomeo pudo para estimar la distancia máxima a la Luna utilizando el método similar al método de Aristarco: 64 radios de la Tierra. Esto le dio la escala de todo el universo. Como resultado, resultó que las estrellas se encuentran a una distancia de unos 20 mil radios de la Tierra. Ptolomeo también intentó estimar el tamaño de los planetas. Como resultado de la compensación aleatoria de una serie de errores, la Tierra resultó ser el cuerpo promedio del Universo en tamaño, y las estrellas, que tenían aproximadamente el mismo tamaño que el Sol.

Civilizaciones de las Américas Mesoamérica

Las civilizaciones de Mesoamérica incluyen a los aztecas , mayas , mixtecos , olmecas , purépechas , zapotecos , toltecas , totonacas , huastecos , chichimecas . Y aunque incluso dentro de la misma civilización en diferentes áreas de la vida, las diferencias pueden ser enormes, pero en lo que respecta a las ideas generales sobre el mundo, hay una unidad de puntos de vista con pequeñas desviaciones.

Los mesoamericanos comenzaron muy temprano a realizar observaciones astronómicas precisas, generalmente asociadas a necesidades agrícolas. Podían calcular con precisión los eclipses solares y lunares, así como las coordenadas de Venus en el cielo. También se creó un calendario preciso.

Pero un lugar significativo en las ideas mesoamericanas no lo ocupan los resultados de las observaciones, sino la astrología y el calendario [103] . Así, la idea de ciclicidad, incrustada en el calendario, se traslada a todos los eventos de este mundo, los períodos de estas repeticiones están asociados a números sagrados para los mesoamericanos, como el 400, 20, 52. La ciclicidad también está presente en cosmogonía: el mundo se destruye y se vuelve a crear. Hubo cuatro ciclos de este tipo en total, el actual es el quinto. Si asumimos que la fecha de inicio de la cronología está establecida correctamente, entonces el final del ciclo actual cae en 2012 [104] .

La estructura del mundo también era similar: el mundo tiene divisiones verticales y horizontales. En proyección, este es un cuadrilátero, cuyas esquinas están orientadas a los puntos cardinales. El árbol del mundo pasa por el centro del mundo , conectando 13 mundos celestiales, el mundo terrenal y 9 subterráneos. Cada parte del mundo tenía su propio dios y color, que diferían entre los diferentes pueblos. El nacimiento del mundo se dio por la lucha de dos principios opuestos: el bien y el mal, la luz y las tinieblas, etc. [105]

Edades medias

Europa

En la Edad Media en la Europa católica, dominaba el sistema geocéntrico del mundo según Ptolomeo. Este sistema, unido a las opiniones de Aristóteles, recibió el reconocimiento y apoyo oficial de la Iglesia y la Santa Sede [106] . Uno de los principales divulgadores del sistema de esferas homocéntricas de Aristóteles fue el famoso filósofo y teólogo Tomás de Aquino [107] . Consideró este sistema como el único correcto; los epiciclos y excéntricos, fijados en la ciencia por Ptolomeo, eran considerados un "mal necesario", una conveniente ficción matemática creada para la comodidad de los cálculos.

Al mismo tiempo, las universidades comenzaron a surgir en Europa. A pesar de que estuvieron hasta cierto punto bajo el control de la Iglesia Católica, se convirtieron en los principales centros del pensamiento científico, contribuyeron al desarrollo y acumulación de conocimientos sobre la estructura del universo [108] .

mundo islámico

En el campo de la filosofía natural y la cosmología , la mayoría de los científicos árabes siguieron las enseñanzas de Aristóteles. Se basó en la división del Universo en dos partes fundamentalmente diferentes: el mundo sublunar y supralunar. El mundo sublunar es el reino de lo cambiante, impermanente, transitorio; por el contrario, el mundo celestial supralunar es el reino de lo eterno e inmutable. Relacionado con esta noción está el concepto de lugares naturales. Hay cinco tipos de materia, y todos tienen sus lugares naturales dentro de nuestro mundo: el elemento tierra está en el mismo centro del mundo, seguido por los lugares naturales de los elementos agua, aire, fuego, éter.

En el campo de la cosmología, los científicos de los países del Islam eran partidarios del sistema geocéntrico del mundo. Sin embargo, hubo disputas sobre qué versión de la misma debería preferirse: la teoría de las esferas homocéntricas o la teoría de los epiciclos .

En los siglos XII - principios del XIII, la teoría de los epiciclos fue objeto de un ataque masivo por parte de los filósofos y científicos árabes de Andalucía . Este movimiento a veces se llama la "revuelta andaluza" [106] . Su fundador fue Muhammad ibn Baja , conocido en Europa como Avempats (m. 1138), la obra fue continuada por su alumno Muhammad ibn Tufayl (c. 1110-1185) y los alumnos del último Hyp ad-Din al-Bitruji , también conocido como Alpetragius , y Averroes ; Maimónides , representante de la comunidad judía de Andalucía, se puede atribuir a su número . Estos científicos estaban convencidos de que la teoría de los epiciclos, a pesar de todas sus ventajas desde el punto de vista matemático, no se corresponde con la realidad, ya que la existencia de epiciclos y deferentes excéntricos contradice la física de Aristóteles, según la cual el único centro de rotación de los cuerpos celestes Sólo puede ser el centro del mundo, coincidiendo con el centro de la Tierra.

Sin embargo, la teoría de los epiciclos en su versión ptolemaica (la teoría de la bisección de la excentricidad) no pudo satisfacer del todo a los astrónomos. En esta teoría, para explicar el movimiento desigual de los planetas, se supone que el movimiento del centro del epiciclo a lo largo del deferente parece uniforme cuando se ve no desde el centro del deferente, sino desde algún punto, que se llama ecuante . , o punto de ecualización. En este caso, la Tierra tampoco está ubicada en el centro del deferente, sino que está desplazada hacia un lado simétricamente al punto ecuante con respecto al centro del deferente. En la teoría de Ptolomeo , la velocidad angular del centro del epiciclo en relación con el ecuante no cambia, mientras que cuando se ve desde el centro del deferente, la velocidad angular del centro del epiciclo cambia a medida que el planeta se mueve. Esto contradice la ideología general de la astronomía prekepleriana, según la cual todos los movimientos de los cuerpos celestes se componen de movimientos uniformes y circulares.

Los astrónomos musulmanes (comenzando con ibn al-Haytham , siglo XI) notaron otra dificultad, puramente física, en la teoría de Ptolomeo. Según la teoría de las esferas anidadas, desarrollada por el propio Ptolomeo, el movimiento del centro del epiciclo a lo largo del deferente se representaba como la rotación de alguna esfera material. Sin embargo, es absolutamente imposible imaginar la rotación de un cuerpo rígido alrededor de un eje que pasa por su centro de modo que la velocidad de rotación sea constante en relación con algún punto fuera del eje de rotación.

Hubo intentos de ir más allá de los límites del sistema geocéntrico, sin embargo, encontraron una resistencia considerable por parte de los teólogos ortodoxos, quienes rechazaron cualquier teoría filosófica natural por contradecir la tesis de la omnipotencia de Alá [109] .

mundo ortodoxo

La idea del mundo en Bizancio y los países que se unieron al cristianismo de rito oriental estaba estrechamente relacionada con la teología . Era necesario explicar el mundo circundante y no entrar en conflicto con las Sagradas Escrituras . Incluso en el siglo VI. el manuscrito " Topografía cristiana " apareció por Cosmas Indikopleustus , un comerciante de Alejandría . En Bizancio , no fue tomada en serio. El patriarca Photius escribió al zar búlgaro Mikhail sobre ella como no digna de atención, señaló lo absurdo de sus ideas sobre el cielo y vio en el autor "más un narrador de fábulas que un narrador de la verdad". Sin embargo, en Europa occidental, la composición se ha generalizado. En el período anterior a los mongoles, penetró en el territorio de la Rus de Kiev y tuvo influencia hasta el siglo XVII [110] .

Cosmas Indikopleust rechazó la hipótesis de la esfericidad de la Tierra y todo el sistema de Ptolomeo, llamando a tales pensamientos "herejía circular". Él justificó esto por el hecho de que la Sagrada Escritura dice que los ángeles en la Segunda Venida llamarán a los pueblos "desde el extremo del cielo hasta el extremo de ellos" con un sonido de trompeta. Y si la Tierra es circular, entonces el cielo es circular, es decir, no tiene borde, y esto es contrario a las Escrituras. Además, si el cielo es “circular” y, por lo tanto, no toca los bordes del globo, entonces, ¿cómo se levantará la gente de la tierra en la resurrección general en el momento de la Segunda Venida? Según Cosmas, la Tierra tenía la forma de un rectángulo. Desde arriba, este rectángulo se eleva en una montaña, cuya cima está inclinada hacia el noroeste, y varios pueblos viven en la ladera de esta tierra montañosa de norte a sur. Al pasar, el Sol está más cerca de las tierras del sur que de las del norte. El océano está ubicado alrededor de la Tierra , y en su borde se eleva una pared sólida pero transparente del firmamento, directamente contigua a la tierra de ultramar.

Además de la obra de Kozma Indikopleust, estaba el libro "Seis días" del autor búlgaro del siglo X, Juan el Exarca , que nos ha llegado en un manuscrito de 1263 [110] . Este trabajo es mucho más controvertido que el primero. Por un lado, John establece puntos de vista similares a los de Cosme, pero hay indicios de que el autor imagina la Tierra como una pelota. Además, a diferencia de Cosmas, distingue los planetas de las estrellas.

Las representaciones cosmográficas del cristianismo oriental también están contenidas en el libro del teólogo del siglo VIII Juan de Damasco , Una exposición exacta de la fe ortodoxa. Las opiniones de Juan ya son directamente opuestas a las de Cosme: se describe el zodíaco en cada detalle, se describen las casas astrológicas de los planetas, se nota la simpatía por la circularidad de la tierra. El libro de Damasco no destaca una opinión holística sobre la naturaleza del cielo, pero se dan todos los puntos de vista sobre la naturaleza del cielo. Se cita con simpatía la opinión de Basilio el Grande : "este cielo, el divino Basilio es un ser sutil, dice, la naturaleza, como el humo".

Renacimiento (siglos XV-XVI)

Renacimiento temprano (siglo XV)

La cosmología de Nicolás de Cusa (1401-1464), expuesta en el tratado De la docta ignorancia, es de carácter innovador. Asumió la unidad material del Universo y consideró a la Tierra como uno de los planetas, también en movimiento; los cuerpos celestes están habitados, como lo está la Tierra, y todo observador en el universo con igual razón puede considerarse inmóvil. En su opinión, el Universo es ilimitado, pero finito, ya que el infinito sólo puede ser propio de Dios . Al mismo tiempo, Kuzanets conserva muchos elementos de la cosmología medieval, incluida la creencia en la existencia de esferas celestes, incluida la exterior, la esfera de estrellas fijas. Sin embargo, estas esferas no son absolutamente redondas, su rotación no es uniforme y los ejes de rotación no ocupan una posición fija en el espacio. Como resultado, el mundo no tiene un centro absoluto y un límite claro (probablemente, es en este sentido que debe entenderse la tesis de Nicolás sobre la infinidad del Universo) [111] .

Sistema heliocéntrico (segunda mitad del siglo XVI)

La primera mitad del siglo XVI está marcada por el surgimiento de un nuevo sistema heliocéntrico del mundo por parte de Nicolás Copérnico . Copérnico colocó al Sol en el centro del mundo, alrededor del cual giraban los planetas (incluida la Tierra, que también giraba alrededor de su eje). Todavía consideraba que el universo era una esfera limitada de estrellas fijas; al parecer, mantuvo su creencia en la existencia de esferas celestes [112] .

Renacimiento tardío (segunda mitad del siglo XVI)

Desarrollando las ideas de Copérnico, el astrónomo inglés Thomas Digges sugirió que el espacio es infinito y está lleno de estrellas. Estas ideas fueron profundizadas por el filósofo italiano Giordano Bruno [113] [114] [115] . Una serie de disposiciones de la cosmología de Bruno tienen un carácter innovador e incluso revolucionario para su época, que en gran medida anticipó muchas disposiciones de la cosmología moderna: la idea de la infinidad del Universo y el número de mundos en él, la identificación de estrellas con soles lejanos, la idea de la unidad material del universo. Al mismo tiempo, algunas ideas de Giordano Bruno (en primer lugar, la idea de la animación universal de la materia) pronto fueron abandonadas por la ciencia.

Sin embargo, no todos los científicos aceptaron el concepto de Copérnico. Entonces, uno de los oponentes fue Tycho Brahe , llamándolo especulación matemática. Propuso su sistema de compromiso "geheliocéntrico" del mundo, que era una combinación de las enseñanzas de Ptolomeo y Copérnico: el Sol, la Luna y las estrellas giran alrededor de la Tierra inmóvil, y todos los planetas y cometas alrededor del Sol. Brahe tampoco reconoció la rotación diaria de la Tierra.

Revolución Científica (siglo XVII)

Johannes Kepler imaginó el Universo como una bola de radio finito con una cavidad en el medio, donde se ubicaba el sistema solar . Kepler consideró que la capa esférica fuera de esta cavidad estaba llena de estrellas, objetos autoluminosos, también rodeados por planetas [116] , pero que tenían una naturaleza fundamentalmente diferente a la del Sol . . Uno de sus argumentos es el precursor inmediato de la paradoja fotométrica . Otra revolución está asociada con el nombre de Kepler. Reemplaza los movimientos circulares, agravados por numerosos ecuantes, con uno - a lo largo de una elipse y deduce las leyes del movimiento a lo largo de ella, que ahora llevan su nombre.

Galileo Galilei , dejando abierta la cuestión de la infinitud del universo, defendió la opinión de que las estrellas son como el Sol. A mediados de la segunda mitad del siglo XVII, estas ideas fueron apoyadas por René Descartes (teoría del vórtice) [117] , Otto von Guericke y Christian Huygens . Huygens posee el primer intento de determinar la distancia a una estrella ( Sirio ) bajo el supuesto de que su luminosidad es igual a la del sol.

Entre los muchos partidarios del sistema Brahe en el siglo XVII se encontraba el destacado astrónomo italiano, el jesuita Giovanni Riccioli . La prueba directa del movimiento de la Tierra alrededor del Sol apareció solo en 1727 ( aberración de luz ), pero de hecho, el sistema Brahe fue rechazado por la mayoría de los científicos ya en el siglo XVII como injustificada y artificialmente complicado en comparación con el sistema de Copérnico-Kepler.

siglos XVIII-XIX

En el umbral del siglo XVIII, se publicó un libro de tremenda importancia para toda la física moderna, Principia Mathematica [118] de Isaac Newton . El análisis matemático que aún se está creando hace posible que la física evalúe estrictamente los hechos, así como también juzgue confiablemente la calidad de las teorías que intentan describirlos.

Sobre esta base ya en el siglo XVIII. Newton construye su modelo del universo. Se da cuenta de que en un mundo finito lleno de cuerpos grabados, inevitablemente llegará un momento en que todos se fusionarán entre sí. Por lo tanto, cree que el espacio del universo es infinito.

En un tratado de 1755 basado en el trabajo de Thomas Wright , Immanuel Kant sugirió que la Galaxia podría ser un cuerpo giratorio formado por una gran cantidad de estrellas unidas por fuerzas gravitatorias similares a las del sistema solar, pero en un mayor tamaño. escala. Desde el punto de vista de un observador ubicado dentro de la Galaxia (en particular, en nuestro sistema solar), el disco resultante será visible en el cielo nocturno como una banda brillante. Kant también sugirió que algunas de las nebulosas visibles en el cielo nocturno pueden ser galaxias separadas.

William Herschel sugirió que las nebulosas podrían ser sistemas estelares distantes, similares a los de la Vía Láctea . En 1785, trató de determinar la forma y el tamaño de la Vía Láctea y la posición del Sol en ella, usando el método de la "cuchara" , contando estrellas en diferentes direcciones. En 1795, mientras observaba la nebulosa planetaria NGC 1514 , vio claramente en su centro una única estrella rodeada de materia nebulosa. Por tanto, la existencia de nebulosas genuinas estaba fuera de toda duda, y no había necesidad de pensar que todas las nebulosas eran sistemas estelares distantes [119] .

En 1837, V. Ya. Struve , basándose en sus propias observaciones, descubrió y midió la paralaje α Lyra (publicada en 1839). El valor que obtuvo (0,125" ± 0,055") fue la primera determinación exitosa de la paralaje de una estrella en general. Este fue el primer paso en la realización de las verdaderas escalas espaciales del Universo [120] .

siglo 20

El siglo XX es el siglo del nacimiento de la cosmología moderna. Surge a principios de siglo y, a medida que se desarrolla, incorpora todos los logros más recientes, como tecnologías para construir grandes telescopios, vuelos espaciales y computadoras.

Los primeros pasos hacia una cosmología moderna se dieron en 1908-1916. En ese momento, el descubrimiento de una relación directamente proporcional entre el período y la magnitud aparente de las Cefeidas en la Pequeña Nube de Magallanes ( Henrietta Leavitt , EE. UU.) permitió a Einar Hertzsprung y Harlow Shapley desarrollar un método para determinar distancias de las Cefeidas.

En 1916, A. Einstein escribió las ecuaciones de la teoría general de la relatividad , la teoría de la gravedad, que se convirtió en la base de las teorías cosmológicas dominantes. En 1917, tratando de obtener una solución que describa el Universo "estacionario", Einstein introduce un parámetro adicional en las ecuaciones de la relatividad general: la constante cosmológica .

En 1922-1924. A. Friedman aplica las ecuaciones de Einstein (con y sin constante cosmológica) a todo el Universo y obtiene soluciones no estacionarias.

En 1929, Edwin Hubble descubre la ley de proporcionalidad entre la velocidad de las galaxias que se alejan y su distancia, más tarde nombrada en su honor. Se vuelve obvio que la Vía Láctea es solo una pequeña parte del Universo circundante. Junto con esto viene la evidencia de la hipótesis de Kant : algunas nebulosas son galaxias como la nuestra. Al mismo tiempo, se confirman las conclusiones de Friedman sobre la no estacionariedad del mundo circundante y, al mismo tiempo, la corrección de la dirección elegida en el desarrollo de la cosmología [121] .

Desde ese momento hasta 1998, el modelo clásico de Friedman sin la constante cosmológica se vuelve dominante. Se está estudiando la influencia de la constante cosmológica en la solución final, pero debido a la falta de indicaciones experimentales sobre su importancia para describir el Universo, tales soluciones no se utilizan para interpretar datos observacionales.

En 1932, F. Zwicky presentó la idea de la existencia de la materia oscura, una sustancia que no se manifiesta como radiación electromagnética, pero participa en la interacción gravitacional. En ese momento, la idea fue recibida con escepticismo, y recién alrededor de 1975 recibió un segundo nacimiento y una aceptación general [122] .

En 1946-1949, G. Gamow , tratando de explicar el origen de los elementos químicos, aplica las leyes de la física nuclear al comienzo de la expansión del Universo. Así surge la teoría del "Universo caliente", la teoría del Big Bang, y con ella la hipótesis de la radiación cósmica de fondo isotrópica de microondas con una temperatura de varios Kelvin.

En 1964, A. Penzias y R. Wilson descubrieron una fuente de interferencia isotrópica en el rango de radio. Entonces resulta que esta es la radiación reliquia predicha por Gamow. Se confirma la teoría del Universo caliente, y la física de partículas elementales llega a la cosmología.

En 1991-1993, se descubrieron fluctuaciones de la radiación de fondo cósmico de microondas en los experimentos espaciales "Relikt-1" y COBE. Es cierto que solo algunos miembros del equipo COBE [121] recibirán más tarde el Premio Nobel .

En 1998, un diagrama de Hubble para grandes . Resulta que el universo se está expandiendo con aceleración . El modelo de Friedman permite esto solo con la introducción de la antigravedad, descrita por la constante cosmológica. Surge la idea de la existencia de un tipo especial de energía responsable de esto: la energía oscura. Aparece una teoría moderna de expansión: el modelo ΛCDM, que incluye tanto la energía oscura como la materia oscura. La expansión acelerada del Universo comenzó hace 6-7 mil millones de años. En la actualidad (finales de la década de 2010), el Universo se está expandiendo de tal manera que las distancias en él se duplican en 10 mil millones de años, y esta tasa cambiará poco en el futuro predecible [123] :48 . $z$

notas

Comentarios

↑
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- Universo : un artículo del Gran Diccionario Enciclopédico : todo el mundo material existente, ilimitado en el tiempo y el espacio e infinitamente diverso en las formas que toma la materia en el proceso de su desarrollo .
- Diccionario enciclopédico científico y técnico: conjunto de materia, energía y espacio, constituido por enormes regiones frías y vacías, en las que se “intercalan” estrellas de alta temperatura y otros objetos, agrupados en galaxias .
- Kazyutinsky VV Universo // Nueva Enciclopedia Filosófica / Instituto de Filosofía RAS ; Nacional científico-social fondo; Anterior ed. científica consejo V. S. Stepin , vicepresidentes: A. A. Guseynov , G. Yu. Semigin , contador. secreto A. P. Ogurtsov . — 2ª ed., corregida. y añadir. - M .: Pensamiento , 2010. - ISBN 978-5-244-01115-9 . :"todo lo que existe", "todo comprensivo del mundo", "totalidad de todas las cosas"; el significado de estos términos es ambiguo y está determinado por el contexto conceptual.
- La Enciclopedia Física y la Pequeña Enciclopedia del Espacio no definen el concepto.
↑ Pero no solo en el sistema solar: los efectos de la relatividad general también están bien estudiados en campos fuertes de estrellas binarias cercanas , sin embargo, con los mismos tamaños característicos.
↑ La impopularidad de los modelos con una constante cosmológica se evidencia elocuentemente por el hecho de que Weinberg en su libro "Cosmología y gravedad" (publicado en ruso en 1975) remite el párrafo sobre modelos con una constante cosmológica a la sección junto con modelos ingenuos y modelos del Universo estacionario, desviando 4 páginas de 675 por descripción.

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Ubicación de la Tierra en el espacio exterior
Tierra → Sistema solar → Nube interestelar local → Burbuja local → Cinturón de Gould → Brazo de Orión → Vía Láctea → Subgrupo de la Vía Láctea → Grupo local → Hoja local → Supercúmulo de galaxias local → Laniakea → Complejo de supercúmulo de Pisces-Cetus → Volumen de Hubble → Metagalaxia → Universo → ? multiverso
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