Cosmolog??a f??sica

Cosmolog??a f??sica, como una rama de la astronom??a , es el estudio de la estructura a gran escala del universo y se ocupa de cuestiones fundamentales sobre su formaci??n y evoluci??n. Cosmolog??a se involucra con el estudio de los movimientos de los cuerpos celestes y la primera causa. Durante la mayor parte de la historia humana, ha sido una rama de metaf??sica. Cosmolog??a como ciencia se origina con la Principio de Cop??rnico, que implica que los cuerpos celestes obedecen id??nticos leyes f??sicas a los de la tierra, y la mec??nica de Newton , que primero nos permiti?? entender esos movimientos. Esto ahora se llama la mec??nica celeste. Cosmolog??a f??sica, ya que se entiende ahora, comenz?? con el desarrollo del siglo XX de Albert Einstein 's teor??a general de la relatividad y mejores astron??micos observaciones de objetos muy distantes.

Los avances del siglo XX hicieron posible especular sobre los or??genes del universo y cient??ficos permitieron establecer el Big Bang como la teor??a cosmol??gica l??der, que la mayor??a de los cosm??logos aceptan ahora como base de sus teor??as y observaciones. Infinitamente pocos investigadores todav??a abogan cualquiera de un pu??ado de cosmolog??as alternativas, pero los cosm??logos profesionales generalmente est??n de acuerdo en que el big bang mejor explica observaciones. Cosmolog??a f??sica, en t??rminos generales, se ocupa de los objetos muy grandes en el universo ( galaxias , grupos y superc??mulos), los primeros objetos muy distinto a la forma ( qu??sares) y el universo muy temprano, cuando era casi homog??nea ( Big Bang caliente , la inflaci??n c??smica , la radiaci??n de fondo de microondas c??smico y la Weyl hip??tesis de curvatura).

La cosmolog??a es inusual en la f??sica de la elaboraci??n en gran medida en el trabajo de los f??sicos de part??culas ' experimentos, y la investigaci??n de fenomenolog??a e incluso la teor??a de cuerdas ; de astrof??sicos ; de la relatividad general de la investigaci??n; y de la f??sica del plasma . Por lo tanto, la cosmolog??a une la f??sica de las estructuras m??s grandes en el universo de la f??sica de las estructuras m??s peque??as del universo.

Energ??a del cosmos

Los elementos ligeros, principalmente hidr??geno y helio, fueron creados en el Big Bang . Estos elementos ligeros se extendieron demasiado r??pido y demasiado dispersa en el proceso Big Bang (ver nucleos??ntesis) para formar los n??cleos at??micos m??s estables de tama??o medio, como el hierro y el n??quel. Este hecho permite una liberaci??n de energ??a m??s tarde, ya que dichos elementos de tama??o intermedio se forman en nuestra era. La formaci??n de tales ??tomos poderes las reacciones de liberaci??n de energ??a constantes en estrellas , y tambi??n contribuye a la liberaci??n de energ??a repentinos, como en novas. Colapso gravitacional de la materia en los agujeros negros tambi??n se piensa para alimentar los procesos m??s en??rgicos, generalmente atendidos en los centros de las galaxias (ver cu??sares y en general galaxias activas).

Los cosm??logos siguen sin poder explicar todos los fen??menos cosmol??gicos puramente sobre la base del conocido convencional formas de energ??a, como por ejemplo los relacionados con la aceleraci??n de la expansi??n del universo, y por lo tanto invocar una forma a??n inexplorada de energ??a llamada energ??a oscura para explicar ciertas observaciones cosmol??gicas. Una hip??tesis es que la energ??a oscura es la energ??a de part??culas virtuales (que matem??ticamente deben existir en el vac??o debido a la principio de incertidumbre).

No hay manera inequ??voca para definir la energ??a total del universo en el actual mejor teor??a de la gravedad, la relatividad general . Como resultado hay controversia sobre una significativa puede decir que la energ??a total se conserva en un universo en expansi??n. Por ejemplo, cada fot??n que viaja por el espacio intergal??ctico pierde energ??a debido al desplazamiento hacia el rojo efecto. Esta energ??a no se transfiere, obviamente, a cualquier otro sistema, por lo que parece estar perdido para siempre. Sin embargo algunos cosm??logos insisten en que la energ??a se conserva en alg??n sentido.

Termodin??mica del universo es un campo de estudio para explorar qu?? forma de energ??a domina el cosmos - part??culas relativistas que se hace referencia como radiaci??n, o no relativistas part??culas que se hace referencia como la materia. Los primeros son part??culas cuyo masa en reposo es cero o insignificante en comparaci??n con su energ??a, y por lo tanto se mueven a la velocidad de la luz o muy cerca de ella; estos ??ltimos son part??culas cuya energ??a cin??tica es mucho menor que su masa en reposo y por lo tanto moverse mucho m??s lenta que la velocidad de la luz.

A medida que el universo se expande, la materia y la radiaci??n en ella se diluya. Sin embargo, el universo tambi??n se enfr??a, lo que significa que la energ??a promedio por part??cula se est?? reduciendo con el tiempo. Por lo tanto la radiaci??n se vuelve m??s d??bil, y diluye m??s r??pido que la materia. As??, con la expansi??n de la radiaci??n universo se vuelve menos dominante que la materia. En la radiaci??n universo muy temprano dicta el ritmo de desaceleraci??n de la expansi??n del universo, y el universo se dice que es "la radiaci??n domin?? '. En tiempos posteriores, cuando la energ??a media por fot??n es m??s o menos 10 eV e inferior, dicta importa la velocidad de desaceleraci??n y el universo se dice que est?? "dominado la materia". El caso intermedio no es bien tratada anal??ticamente. A medida que la expansi??n del universo contin??a, la materia diluye a??n m??s y la constante cosmol??gica se vuelve dominante, lo que lleva a una aceleraci??n de la expansi??n del universo.

Historia de la cosmolog??a f??sica

La cosmolog??a moderna se desarroll?? a lo largo de observaci??n t??ndem y pistas te??ricas. En 1915, Albert Einstein desarroll?? su teor??a de la relatividad general . En ese momento, los f??sicos ten??an prejuicios a creer en un universo perfectamente est??tica sin principio ni fin. Einstein a??adi?? una constante cosmol??gica de su teor??a para tratar de obligarlo a permitir una universo est??tico con la materia en ella. El universo llamado Einstein es, sin embargo, inestable. Se ve obligada a iniciar el tiempo expandir o contraer. Las soluciones cosmol??gicas de la relatividad general fueron encontrados por Alexander Friedmann, cuyas ecuaciones describir la Friedmann-Lema??tre-Robertson-Walker universo, que puede expandirse o contraerse.

En la d??cada de 1910, Vesto Slipher y m??s tarde Carl Wilhelm Wirtz interpret?? el desplazamiento hacia el rojo de nebulosas espirales como Desplazamiento Doppler que indicaron que estaban alejando de la Tierra . Sin embargo, es muy dif??cil de determinar la distancia a los objetos astron??micos: incluso si es posible medir su tama??o angular por lo general es imposible saber su tama??o real o luminosidad. No se dieron cuenta que las nebulosas eran en realidad galaxias fuera de nuestra propia V??a L??ctea , ni tampoco especular acerca de las implicaciones cosmol??gicas. En 1927, el belga Cat??lica Romana sacerdote Georges Lema??tre deriva independientemente las ecuaciones de Friedmann-Lema??tre-Robertson-Walker y propuso, sobre la base de la recesi??n de las nebulosas espirales, que el universo comenz?? con la "explosi??n" de un "primitivo ??tomo "; lo que despu??s se llam?? el big bang. En 1929, Edwin Hubble proporcion?? una base observacional de la teor??a de Lema??tre. Hubble prob?? que las nebulosas espirales eran galaxias y midi?? sus distancias observando Las estrellas variables Cefeidas. ??l descubri?? una relaci??n entre el desplazamiento al rojo de una galaxia y su luminosidad. ??l interpret?? esto como evidencia de que las galaxias se alejan en todas direcciones a velocidades (relativas a la Tierra) directamente proporcional a su distancia. Este hecho se conoce como la ley de Hubble . La relaci??n entre la distancia y la velocidad, sin embargo, se determin?? con precisi??n relativamente reciente: Hubble fue apagado por un factor de diez.

Dado que principio cosmol??gico, la ley de Hubble sugiere que el universo se estaba expandiendo. Esta idea permiti?? dos posibilidades opuestas. Una de ellas era la teor??a del Big Bang de Lema??tre, defendido y desarrollado por George Gamow. La otra posibilidad era Fred Hoyle modelo de estado estacionario en el que la nueva materia se crear??a como las galaxias se alejan unas de otras. En este modelo, el universo es m??s o menos la misma en cualquier punto en el tiempo.

Para un n??mero de a??os el apoyo para estas teor??as se dividi?? uniformemente. Sin embargo, la evidencia observacional comenz?? a apoyar la idea de que el universo evolucion?? de un estado denso y caliente. Desde el descubrimiento de la radiaci??n c??smica de fondo en 1965 que ha sido considerada como la mejor teor??a del origen y evoluci??n del cosmos. Antes de finales de 1960, muchos cosm??logos pensaban que el infinitamente denso singularidad en el tiempo de inicio del modelo cosmol??gico de Friedmann fue un matem??tico sobreidealizaci??n, y que el universo se estaba contrayendo antes de entrar en el estado denso y caliente y comenzar a expandirse de nuevo. Esto es Richard Tolman de universo oscilatorio. En los a??os sesenta, Stephen Hawking y Roger Penrose demostr?? que esta idea era impracticable, y la singularidad es una caracter??stica esencial de la gravedad de Einstein. Esto llev?? a la mayor??a de los cosm??logos a aceptar el Big Bang, en la que el universo que observamos se inici?? hace un tiempo finito.

Historia del Universo

La historia del universo es un tema central en la cosmolog??a. De acuerdo con la teor??a est??ndar de la cosmolog??a, la historia del universo se divide en diferentes per??odos llamados ??pocas, de acuerdo con las fuerzas dominantes y procesos en cada per??odo. El modelo cosmol??gico est??ndar se conoce como Modelo ΛCDM.

Ecuaciones del movimiento

La ecuaciones de movimiento que rige el universo como un todo se derivan de la relatividad general con un peque??o, positivo constante cosmol??gica. La soluci??n es un universo en expansi??n; debido a esta expansi??n de la radiaci??n y la materia en el universo se enfri?? y se diluyen. Al principio de la expansi??n se ralentiza por la gravitaci??n debido a la la radiaci??n y la materia contenido del universo. Sin embargo, ya que estos se convierten diluida, la constante cosmol??gica se vuelve m??s dominante y la expansi??n del universo empieza a acelerar en lugar de desacelerar. En nuestro universo esto ya ha ocurrido, miles de millones de a??os atr??s.

F??sica de part??culas en la cosmolog??a

La f??sica de part??culas , que se ocupa de altas energ??as, es extremadamente importante en el comportamiento de los inicios del universo, ya que estaba tan caliente que la densidad media de energ??a es muy alta. Debido a esto, procesos de dispersi??n y decaimiento de part??culas inestables que son importantes en la cosmolog??a.

Como regla general, un dispersi??n o una proceso de descomposici??n es cosmol??gicamente importante en una cierta ??poca cosmol??gica si su escala de tiempo relevante es menor o comparable a la escala de tiempo de la expansi??n universo, que es con siendo la constante de Hubble en ese momento. Esto es aproximadamente igual a la edad del universo en ese momento.

Cronolog??a del Big Bang

Las observaciones sugieren que el universo tal como lo conocemos comenz?? hace alrededor de 13,7 mil millones a??os. Desde entonces, la evoluci??n del universo ha pasado por tres fases. El universo muy temprano, lo que a??n es poco conocido, fue la segunda divisi??n en la que el universo estaba tan caliente que part??culas ten??an energ??as m??s altas que las actualmente accesible en aceleradores de part??culas en la Tierra. Por lo tanto, mientras que las caracter??sticas b??sicas de esta ??poca se han elaborado en la teor??a del big bang, los datos se basan en gran medida en conjeturas. A ra??z de esto, en los inicios del universo, la evoluci??n del universo procedi?? seg??n conocida f??sica de altas energ??as . Esto es cuando los primeros protones, electrones y neutrones formados, entonces n??cleos y finalmente los ??tomos. Con la formaci??n de hidr??geno neutro, el fondo c??smico de microondas fue emitida. Por ??ltimo, la ??poca de la formaci??n de la estructura comenz??, cuando la materia comenz?? a agregarse en las primeras estrellas y cu??sares, y finalmente las galaxias, c??mulos de galaxias y superc??mulos formados. El futuro del universo no est?? todav??a firmemente conocido, pero de acuerdo con la Modelo ΛCDM que continuar?? expandi??ndose para siempre.

Las ??reas de estudio

A continuaci??n, algunas de las ??reas m??s activas de la investigaci??n en cosmolog??a se describen, en orden cronol??gico aproximado. Esto no incluye la totalidad de la cosmolog??a del Big Bang, que se presenta en l??nea de tiempo cosmol??gico.

El universo primitivo

Mientras que a principios del universo, caliente parece ser bien explicada por la gran explosi??n de unos 10 ^-33 segundos en adelante, hay varios problemas . Una de ellas es que no hay ninguna raz??n de peso, el uso de la f??sica de part??culas actual, a esperar que el universo es plana, homog??nea y isotr??pico (ver el principio cosmol??gico). Por otra parte, grandes teor??as unificadas de la f??sica de part??culas sugieren que debe haber monopolos magn??ticos en el universo, que no han sido encontrados. Estos problemas se resuelven por un breve periodo de inflaci??n c??smica , que impulsa el universo de planitud; suaviza las anisotrop??as y la falta de homogeneidad en el nivel observado; y diluye de manera exponencial los monopolos. El modelo f??sico detr??s de la inflaci??n c??smica es extremadamente simple, sin embargo, a??n no ha sido confirmado por la f??sica de part??culas, y hay problemas dif??ciles conciliaci??n de la inflaci??n y la teor??a cu??ntica de campos . Algunos cosm??logos piensan que la teor??a de cuerdas y cosmolog??a de branas proporcionar?? una alternativa a la inflaci??n.

Otro problema importante en la cosmolog??a es lo que ha provocado que el universo contiene m??s part??culas que antipart??culas. Los cosm??logos pueden utilizar Observaciones de rayos X para deducir que el universo no se divide en regiones de materia y antimateria, sino que se hace principalmente de la materia. Este problema se llama la asimetr??a bari??nica, y la teor??a para describir la resoluci??n se llama bariog??nesis. La teor??a de la bariog??nesis fue elaborado por Andrei Sajarov en 1967, y requiere una violaci??n de la f??sica de part??culas simetr??a , llamada CP-simetr??a, entre la materia y la antimateria. Los aceleradores de part??culas, sin embargo, demasiado peque??a miden una violaci??n de CP-simetr??a para explicar la asimetr??a bari??nica. Los cosm??logos y f??sicos de part??culas est??n tratando de encontrar violaci??nes adicionales de la CP-simetr??a en los inicios del universo que podr??a explicar la asimetr??a bari??nica.

Tanto los problemas de bariog??nesis y la inflaci??n c??smica est??n muy estrechamente relacionados con la f??sica de part??culas, y su soluci??n podr??a venir de la teor??a de alta energ??a y experimentar, en lugar de a trav??s de observaciones del universo.

Gran nucleos??ntesis explosi??n

Nucleos??ntesis del Big Bang es la teor??a de la formaci??n de los elementos en el universo temprano. Termin?? cuando el universo ten??a unos tres minutos de edad y su temperatura baj?? lo suficiente para que la fusi??n nuclear ces??. Debido a que el tiempo en que se produjo gran nucleos??ntesis explosi??n fue tan corto, s??lo los muy elementos m??s ligeros se produjeron, a diferencia de nucleos??ntesis estelar. A partir de hidr??geno iones ( protones ), que produce principalmente deuterio, helio-4 y de litio . Otros elementos se produjeron en s??lo abundancias traza. Mientras que la teor??a b??sica de la nucleos??ntesis se ha entendido desde hace d??cadas (que fue desarrollado en 1948 por George Gamow, Ralph Asher Alpher y Robert Herman) es una sonda extremadamente sensible de la f??sica en el momento del Big Bang, como la teor??a de la gran explosi??n nucleos??ntesis conecta las abundancias de elementos ligeros primordiales con las caracter??sticas de los inicios del universo. Espec??ficamente, puede ser utilizado para probar la equivalencia principio, para sondear la materia oscura y la prueba f??sica de neutrinos. Algunos cosm??logos han propuesto que la gran explosi??n nucleos??ntesis sugiere que hay una cuarta especie "est??riles" de neutrinos.

Fondo de microondas c??smico

El fondo c??smico de microondas se deja radiaci??n relevo de desacoplamiento, cuando los ??tomos se formaron, y la radiaci??n producida en el Big Bang se detuvieron Thomson dispersi??n de iones cargados. La radiaci??n, observado por primera vez en 1965 por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, tiene una perfecta t??rmica espectro de cuerpo negro. Tiene una temperatura de 2,7 grados Kelvin hoy y es isotr??pica a una parte en 10 ^5. Teor??a de perturbaciones Cosmol??gica, que describe la evoluci??n de leves faltas de homogeneidad en los inicios del universo, ha permitido a los cosm??logos calcular con precisi??n el angular espectro de potencia de la radiaci??n, y ha sido medida por los experimentos de sat??lite recientes ( COBE y WMAP) y muchos experimentos terrestres y basadas en globo (tal como Grado Angular Escala Interfer??metro, Cosmic Background Imager, y Boomerang). Uno de los objetivos de estos esfuerzos es medir los par??metros b??sicos de la Modelo Lambda-CDM con precisi??n cada vez mayor, as?? como para poner a prueba las predicciones del modelo del big bang y buscar una nueva f??sica. Las mediciones realizadas recientemente por WMAP, por ejemplo, han puesto l??mites a las masas de los neutrinos.

Experimentos m??s recientes, como el Telescopio Cosmol??gico de Atacama y la Telescopio TRANQUILA, est??n tratando de medir la polarizaci??n del fondo c??smico de microondas, que proporcionar?? una nueva confirmaci??n de la teor??a, as?? como informaci??n acerca de la inflaci??n c??smica, y los llamados anisotrop??as secundarias, como la Efecto Sunyaev-Zel'dovich y Efecto Sachs-Wolfe, que son causadas por la interacci??n entre galaxias y agrupaciones con el fondo c??smico de microondas.

Formaci??n y evoluci??n de la estructura a gran escala

Comprender la formaci??n y evoluci??n de las mayores y m??s antiguas estructuras (es decir, cu??sares, galaxias , grupos y superc??mulos) es uno de los esfuerzos m??s grandes de la cosmolog??a. Los cosm??logos estudian un modelo de formaci??n de la estructura jer??rquica en la que las estructuras se forman a partir de abajo hacia arriba, con los objetos m??s peque??os que forman primero, mientras que los objetos m??s grandes, como los superc??mulos, siguen reuniendo. La forma m??s directa para estudiar la estructura del universo es examinar las galaxias visibles, con el fin de construir una imagen tridimensional de las galaxias en el universo y medir la materia espectro de potencia. Este es el enfoque de la Sloan Digital Sky Survey y el 2dF Galaxy Redshift Survey.

Una herramienta importante para entender la formaci??n de estructura es simulaciones, que los cosm??logos utilizan para estudiar la agregaci??n gravitatoria de la materia en el universo, ya que agrupa a filamentos, y superc??mulos huecos. La mayor??a de las simulaciones contienen s??lo no bari??nica la materia oscura fr??a, que deber??a ser suficiente para entender el universo en las escalas m??s grandes, ya que hay mucha m??s materia oscura en el universo que la materia visible, bari??nica. M??s simulaciones avanzadas est??n empezando a incluir bariones y estudiar la formaci??n de galaxias individuales. Los cosm??logos estudian estas simulaciones para ver si est??n de acuerdo con los estudios de galaxias, y para comprender cualquier discrepancia.

Otras t??cnicas, complementarias permitir??n cosm??logos para medir la distribuci??n de la materia en el universo distante y sondear reionizaci??n. ??stas incluyen:

• La Lyman alfa bosque, que permite a los cosm??logos para medir la distribuci??n de gas de hidr??geno at??mico neutro en los inicios del universo, mediante la medici??n de la absorci??n de la luz de qu??sares distantes por el gas.
• El 21 cent??metros l??nea de absorci??n del hidr??geno at??mico neutro tambi??n proporciona una prueba sensible de la cosmolog??a
• Lente d??bil, la distorsi??n de una imagen distante lente gravitatoria debida a la materia oscura.

Estos le ayudar??n cosm??logos resolver??n el caso de cuando los primeros cu??sares formaron.

Materia oscura

La evidencia de gran nucleos??ntesis bang, el fondo c??smico de microondas y la formaci??n de la estructura sugiere que alrededor del 25% de la masa del universo se compone de materia oscura no bari??nica, mientras que s??lo el 4% lo constituyen visible, materia bari??nica. Los efectos gravitacionales de la materia oscura se conocen bien, ya que se comporta como el fr??o, polvo no radiante que forma halos alrededor de las galaxias. La materia oscura no se ha detectado en el laboratorio: la naturaleza f??sica de las part??culas de la materia oscura es completamente desconocido. Sin embargo, hay un n??mero de candidatos, como un establo part??cula supersim??trica, un interacci??n d??bil part??cula masiva, una axiones, y un masiva objeto de halo compacto. Las alternativas a la hip??tesis de la materia oscura son una modificaci??n de la gravedad en peque??as aceleraciones ( MOND) o un efecto de cosmolog??a de branas.

La f??sica en el centro de las galaxias (ver n??cleos gal??cticos activos, supermasivo agujero negro) puede dar algunas pistas sobre la naturaleza de la materia oscura.

La energ??a oscura

Si el universo es ser plana, tiene que haber un componente adicional que componen el 74% (adem??s de la materia oscura el 22% y 4% bariones) de la densidad de energ??a del universo. Esto se llama energ??a oscura. Con el fin de no interferir con gran nucleos??ntesis golpe y el fondo c??smico de microondas, no debe agruparse en halos como bariones y materia oscura. Hay una fuerte evidencia de observaci??n de la energ??a oscura, como se conoce la masa total del universo, ya que se mide para ser plana, pero la cantidad de materia agrupaci??n se mide con fuerza, y es mucho menos que esto. El caso de la energ??a oscura se fortaleci?? en 1999, cuando las mediciones demostraron que la expansi??n del universo ha comenzado a acelerar gradualmente.

Sin embargo, adem??s de su densidad y sus propiedades de agrupaci??n, no se sabe nada acerca de la energ??a oscura. Teor??a cu??ntica de campos predice una constante cosmol??gica mucho a la energ??a oscura, pero 120 ??rdenes de magnitud demasiado grande. Steven Weinberg y un n??mero de te??ricos de cuerdas (ver cadena paisaje) han utilizado esto como evidencia de la principio antr??pico, lo que sugiere que la constante cosmol??gica es tan peque??o porque la vida (y por lo tanto los f??sicos, para hacer observaciones) no pueden existir en un universo con una gran constante cosmol??gica, pero muchas personas encontrar esta una explicaci??n insatisfactoria. Otras posibles explicaciones para la energ??a oscura incluyen quintaesencia o una modificaci??n de la gravedad en las escalas m??s grandes. El efecto sobre la cosmolog??a de la energ??a oscura que estos modelos describen viene dado por la energ??a oscura del ecuaci??n de estado, que var??a dependiendo de la teor??a. La naturaleza de la energ??a oscura es uno de los problemas m??s dif??ciles en la cosmolog??a.

Una mejor comprensi??n de la energ??a oscura es probable que resolver el problema del destino final del universo . En la actual ??poca cosmol??gica, la expansi??n acelerada debido a la energ??a oscura es la prevenci??n de las estructuras m??s grandes que los superc??mulos de formaci??n. No se sabe si la aceleraci??n continuar?? indefinidamente, quiz??s incluso aumentar hasta una Big Rip, o si llegar?? a revertir.

Otras ??reas de investigaci??n

Los cosm??logos estudian tambi??n:

• si agujeros negros primordiales se formaron en nuestro universo, y lo que les sucedi??.
• la GZK de corte para los rayos c??smicos de alta energ??a, y si se indica un fallo de la relatividad especial a altas energ??as
• la principio de equivalencia, y si de Einstein teor??a general de la relatividad es la teor??a correcta de la gravitaci??n , y si la fundamental leyes de la f??sica son las mismas en todas partes en el universo.