Die kosmologiese model van die Heelal is 'n wiskundige beskrywing wat poog om die redes vir sy huidige bestaan te verduidelik. Dit beeld ook evolusie oor tyd uit.
Moderne kosmologiese modelle van die Heelal is gebaseer op die algemene relatiwiteitsteorie. Dit is wat tans die beste voorstelling bied vir 'n grootskaalse verduideliking.
Die eerste wetenskap-gebaseerde kosmologiese model van die Heelal
Uit sy teorie van algemene relatiwiteit, wat 'n hipotese van swaartekrag is, skryf Einstein vergelykings wat 'n kosmos gevul met materie beheer. Maar Albert het gedink dit moet staties wees. Einstein het dus 'n term genaamd die konstante kosmologiese model van die heelal in sy vergelykings ingebring om die resultaat te kry.
Gegewe die stelsel van Edwin Hubble, sal hy na hierdie idee terugkeer en erken dat die kosmos effektief kan uitbrei. Presiesdie Heelal lyk soos in A. Einstein se kosmologiese model.
Nuwe hipoteses
Kort ná hom bied die Nederlander de Sitter, die Russiese ontwikkelaar van die kosmologiese model van die Heelal Friedman en die Belgiese Lemaitre nie-statiese elemente aan fynproewers se oordeel. Hulle is nodig om Einstein se relatiwiteitsvergelykings op te los.
As die de Sitter-kosmos ooreenstem met 'n leë konstante, dan is die Heelal volgens die Friedmann-kosmologiese model afhanklik van die digtheid van materie daarin.
Hoofhipotese
Daar is geen rede vir die Aarde om in die middel van die ruimte of op enige bevoorregte plek te staan nie.
Dit is die eerste teorie van die klassieke kosmologiese model van die heelal. Volgens hierdie hipotese word die heelal beskou as:
- Homogeen, dit wil sê, dit het oral dieselfde eienskappe op 'n kosmologiese skaal. Natuurlik, op 'n kleiner vliegtuig is daar verskillende situasies as jy byvoorbeeld na die Sonnestelsel of iewers buite die Melkweg kyk.
- Isotroop, dit wil sê, dit het altyd dieselfde eienskappe in elke rigting, maak nie saak waarheen 'n persoon kyk nie. Veral aangesien spasie nie in een rigting afgeplat is nie.
Die tweede nodige hipotese is die universaliteit van die wette van fisika. Hierdie reëls is oral en te alle tye dieselfde.
Om die inhoud van die heelal as 'n perfekte vloeistof te beskou, is nog 'n hipotese. Die kenmerkende afmetings van sy komponente is onbeduidend in vergelyking met die afstande wat hulle skei.
Parameters
Baie vra: "Beskryf die kosmologiese modelHeelal." Om dit te doen, in ooreenstemming met die vorige hipotese van die Friedmann-Lemaitre-stelsel, word drie parameters gebruik wat evolusie volledig kenmerk:
- Hubble-konstante wat die tempo van uitbreiding verteenwoordig.
- Die massadigtheidparameter, wat die verhouding tussen die ρ van die ondersoekde Heelal en 'n sekere digtheid meet, word die kritieke ρc genoem, wat verband hou met die Hubble-konstante. Die huidige waarde van hierdie parameter is gemerk Ω0.
- Die kosmologiese konstante, gemerk Λ, is die teenoorgestelde krag van swaartekrag.
Die digtheid van materie is 'n sleutelparameter vir die voorspelling van sy evolusie: as dit baie ondeurdringbaar is (Ω0> 1), sal swaartekrag die uitbreiding en die kosmos sal terugkeer na sy oorspronklike toestand.
Anders sal die toename vir ewig voortduur. Om dit na te gaan, beskryf die kosmologiese model van die Heelal volgens die teorie.
Dit is intuïtief duidelik dat 'n persoon die evolusie van die kosmos kan besef in ooreenstemming met die hoeveelheid materie binne.
'n Groot aantal sal lei tot 'n geslote heelal. Dit sal in sy aanvanklike toestand eindig. 'n Klein hoeveelheid materie sal lei tot 'n oop heelal met oneindige uitbreiding. Die waarde Ω0=1 lei tot 'n spesiale geval van plat spasie.
Die betekenis van die kritiese digtheid ρc is ongeveer 6 x 10–27 kg/m3, dit wil sê twee waterstofatome per kubieke meter.
Hierdie baie lae syfer verduidelik hoekom moderndie kosmologiese model van die struktuur van die heelal veronderstel leë ruimte, en dit is nie so erg nie.
Geslote of oop heelal?
Die digtheid van materie binne die heelal bepaal die geometrie daarvan.
Vir hoë ondeurdringbaarheid kan jy 'n geslote spasie met positiewe kromming kry. Maar met 'n digtheid onder die kritieke een, sal 'n oop heelal ontstaan.
Daar moet kennis geneem word dat die geslote tipe noodwendig 'n voltooide grootte het, terwyl 'n plat of oop heelal eindig of oneindig kan wees.
In die tweede geval is die som van die hoeke van die driehoek minder as 180°.
In 'n geslote (byvoorbeeld op die oppervlak van die Aarde) is hierdie syfer altyd groter as 180°.
Alle metings tot dusver kon nie die kromming van die ruimte openbaar nie.
Kosmologiese modelle van die Heelal kortliks
Metings van fossielstraling met behulp van die Boemerang-bal bevestig weer die platruimtehipotese.
Die platruimtehipotese stem die beste ooreen met eksperimentele data.
Metings gemaak deur WMAP en die Planck-satelliet bevestig hierdie hipotese.
Die heelal sou dus plat wees. Maar hierdie feit stel die mensdom voor twee vrae. As dit plat is, beteken dit dat die stofdigtheid gelyk is aan die kritieke een Ω0=1. Maar die grootste, sigbare materie in die heelal is slegs 5% van hierdie ondeurdringbaarheid.
Net soos met die geboorte van sterrestelsels, is dit nodig om weer na donker materie te wend.
Age of the Universe
Wetenskaplikes kanwys dat dit eweredig is aan die wederkerige van die Hubble-konstante.
Daarom is die presiese definisie van hierdie konstante 'n kritieke probleem vir kosmologie. Onlangse metings toon dat die kosmos nou tussen 7 en 20 miljard jaar oud is.
Maar die heelal moet noodwendig ouer as sy oudste sterre wees. En hulle is na raming tussen 13 en 16 miljard jaar oud.
Ongeveer 14 miljard jaar gelede het die heelal in alle rigtings begin uitbrei vanaf 'n oneindig klein digte punt wat bekend staan as 'n singulariteit. Hierdie geleentheid staan bekend as die Oerknal.
Binne die eerste paar sekondes van die aanvang van vinnige inflasie, wat vir die volgende honderdduisende jare voortgeduur het, het fundamentele deeltjies verskyn. Wat later materie sou opmaak, maar, soos die mensdom weet, het dit nog nie bestaan nie. Gedurende hierdie tydperk was die Heelal ondeursigtig, gevul met uiters warm plasma en kragtige bestraling.
Namate dit egter uitgebrei het, het die temperatuur en digtheid daarvan geleidelik afgeneem. Plasma en bestraling het uiteindelik waterstof en helium vervang, die eenvoudigste, ligste en volopste elemente in die heelal. Swaartekrag het etlike honderd miljoen ekstra jare geneem om hierdie vryswewende atome in die oergas te kombineer waaruit die eerste sterre en sterrestelsels ontstaan het.
Hierdie verduideliking van die begin van tyd is afgelei van die standaardmodel van Oerknal-kosmologie, ook bekend as die Lambda-stelsel - koue donker materie.
Kosmologiese modelle van die Heelal is gebaseer op direkte waarnemings. Hulle is in staat om te doenvoorspellings wat deur daaropvolgende studies bevestig kan word en staatmaak op algemene relatiwiteit omdat hierdie teorie die beste pas by waargenome grootskaalse gedrag. Kosmologiese modelle is ook gebaseer op twee fundamentele aannames.
Aarde is nie in die middel van die heelal geleë nie en neem nie 'n spesiale plek in nie, so ruimte lyk dieselfde in alle rigtings en van alle plekke op 'n groot skaal. En dieselfde wette van fisika wat op Aarde geld, geld regdeur die kosmos, ongeag tyd.
Daarom, wat die mensdom vandag waarneem, kan gebruik word om die verlede, die hede te verduidelik of om toekomstige gebeure in die natuur te help voorspel, maak nie saak hoe ver hierdie verskynsel is nie.
Ongelooflik, hoe verder mense na die lug kyk, hoe verder kyk hulle na die verlede. Dit laat 'n algemene oorsig van die Sterrestelsels toe hulle baie jonger was, sodat ons beter kan verstaan hoe hulle ontwikkel het in verhouding tot dié wat nader en dus baie ouer is. Natuurlik kan die mensdom nie dieselfde sterrestelsels op verskillende stadiums van sy ontwikkeling sien nie. Maar goeie hipoteses kan ontstaan, wat die sterrestelsels in kategorieë groepeer op grond van wat hulle waarneem.
Daar word geglo dat die eerste sterre uit gaswolke gevorm het kort ná die begin van die heelal. Die Standaard Oerknal-model stel voor dat dit moontlik is om die vroegste sterrestelsels gevul met jong warm liggame te vind wat hierdie stelsels 'n blou tint gee. Die model voorspel dit ookdie eerste sterre was meer, maar kleiner as modernes. En dat die stelsels hiërargies tot hul huidige grootte gegroei het namate klein sterrestelsels uiteindelik groot eiland-heelalle gevorm het.
Interessant genoeg is baie van hierdie voorspellings bevestig. Byvoorbeeld, terug in 1995, toe die Hubble-ruimteteleskoop die eerste keer diep in die begin van tyd gekyk het, het dit ontdek dat die jong heelal gevul was met flou blou sterrestelsels dertig tot vyftig keer kleiner as die Melkweg.
The Standard Big Bang Model voorspel ook dat hierdie samesmeltings steeds aan die gang is. Daarom moet die mensdom bewyse van hierdie aktiwiteit ook in naburige sterrestelsels vind. Ongelukkig was daar tot onlangs min bewyse van energieke samesmeltings tussen sterre naby die Melkweg. Dit was 'n probleem met die standaard oerknalmodel omdat dit voorgestel het dat die begrip van die heelal onvolledig of verkeerd kan wees.
Slegs in die tweede helfte van die 20ste eeu is genoeg fisiese bewyse opgehoop om redelike modelle te maak van hoe die kosmos gevorm het. Die huidige standaard oerknalstelsel is ontwikkel op grond van drie hoof eksperimentele data.
Uitbreiding van die Heelal
Soos met die meeste modelle van die natuur, het dit opeenvolgende verbeterings ondergaan en het dit aansienlike uitdagings geskep wat verdere navorsing aanwakker.
Een van die fassinerende aspekte van die kosmologiesemodellering is dat dit 'n aantal balanse van parameters openbaar wat akkuraat genoeg vir die heelal gehandhaaf moet word.
Vrae
Die standaard kosmologiese model van die heelal is 'n oerknal. En hoewel die bewyse wat haar ondersteun, oorweldigend is, is sy nie sonder probleme nie. Trefil in die boek "The Moment of Creation" wys hierdie vrae goed:
- Die probleem van antimaterie.
- Die kompleksiteit van die vorming van die Melkweg.
- Horizon-probleem.
- 'n Vraag van platheid.
Die antimaterieprobleem
Na die begin van die deeltjie-era. Daar is geen bekende proses wat die blote aantal deeltjies in die heelal kan verander nie. Teen die tyd dat ruimte millisekondes verouderd was, was die balans tussen materie en antimaterie vir ewig vasgestel.
Die hoofdeel van die standaardmodel van materie in die heelal is die idee van paarproduksie. Dit demonstreer die geboorte van elektron-positron verdubbel. Die gewone tipe interaksie tussen hoëlewe x-strale of gammastrale en tipiese atome omskep die meeste van die foton se energie in 'n elektron en sy antipartikel, die positron. Die partikelmassas volg Einstein se verhouding E=mc2. Die geproduseerde afgrond het 'n gelyke aantal elektrone en positrone. As alle massaproduksieprosesse dus gepaard sou wees, sou daar presies dieselfde hoeveelheid materie en antimaterie in die Heelal wees.
Dit is duidelik dat daar 'n mate van asimmetrie is in die manier waarop die natuur met materie verband hou. Een van die belowende areas van navorsingis die skending van CP simmetrie in die verval van deeltjies deur die swak interaksie. Die belangrikste eksperimentele bewys is die ontbinding van neutrale kaons. Hulle toon 'n effense oortreding van die SR-simmetrie. Met die verval van kaone tot elektrone, het die mensdom 'n duidelike onderskeid tussen materie en antimaterie, en dit kan een van die sleutels wees tot die oorheersing van materie in die heelal.
Nuwe ontdekking by die Large Hadron Collider - die verskil in die verv altempo van die D-meson en sy antipartikel is 0,8%, wat nog 'n bydrae kan wees om die kwessie van antimaterie op te los.
The Galaxy Formation Probleem
Ewekansige onreëlmatighede in die uitdyende heelal is nie genoeg om sterre te vorm nie. In die teenwoordigheid van vinnige uitbreiding is die gravitasietrek te stadig vir sterrestelsels om te vorm met enige redelike patroon van onstuimigheid wat deur die uitbreiding self geskep word. Die vraag oor hoe die grootskaalse struktuur van die heelal kon ontstaan het, was 'n groot onopgeloste probleem in die kosmologie. Daarom word wetenskaplikes gedwing om na 'n tydperk van tot 1 millisekonde te kyk om die bestaan van sterrestelsels te verduidelik.
Horizonprobleem
Mikrogolfagtergrondstraling uit teenoorgestelde rigtings in die lug word gekenmerk deur dieselfde temperatuur binne 0,01%. Maar die ruimte van waaruit hulle uitgestraal is, was 500 duisend jaar ligter transittyd. En dus kon hulle nie met mekaar kommunikeer om oënskynlike termiese ewewig te bewerkstellig nie - hulle was buitehorison.
Hierdie situasie word ook die "isotropieprobleem" genoem omdat die agtergrondstraling wat van alle rigtings in die ruimte beweeg, amper isotropies is. Een manier om die vraag te stel, is om te sê dat die temperatuur van dele van die ruimte in teenoorgestelde rigtings vanaf die Aarde amper dieselfde is. Maar hoe kan hulle in termiese ewewig met mekaar wees as hulle nie kan kommunikeer nie? As 'n mens die terugkeertydperk van 14 biljoen jaar, afgelei van die Hubble-konstante van 71 km/s per megaparsek, soos voorgestel deur WMAP in ag geneem het, het 'n mens opgemerk dat hierdie verre dele van die heelal 28 biljoen ligjare uitmekaar is. So hoekom het hulle presies dieselfde temperatuur?
Jy hoef net twee keer die ouderdom van die heelal te wees om die horisonprobleem te verstaan, maar soos Schramm uitwys, as jy na die probleem vanuit 'n vroeëre perspektief kyk, word dit selfs ernstiger. Toe die fotone eintlik vrygestel is, sou hulle 100 keer die ouderdom van die heelal gewees het, of 100 keer oorsaaklik gedeaktiveer.
Hierdie probleem is een van die rigtings wat gelei het tot die inflasionêre hipotese wat Alan Guth in die vroeë 1980's voorgehou het. Die antwoord op die horisonvraag in terme van inflasie is dat daar heel aan die begin van die Oerknal-proses 'n tydperk van ongelooflik vinnige inflasie was wat die grootte van die heelal met 1020 of 1030 . Dit beteken dat die waarneembare ruimte tans binne hierdie uitbreiding is. Die bestraling wat gesien kan word is isotropies,want al hierdie spasie word uit 'n piepklein volume "opgeblaas" en het byna identiese begintoestande. Dit is 'n manier om te verduidelik hoekom dele van die heelal so ver weg is dat hulle nooit met mekaar kan kommunikeer nie, lyk dieselfde.
Die probleem van platheid
Die vorming van die moderne kosmologiese model van die Heelal is baie omvattend. Waarnemings toon dat die hoeveelheid materie in die ruimte beslis meer as een tiende is en beslis minder as die kritieke hoeveelheid wat nodig is om uitsetting te stop. Daar is 'n goeie analogie hier - 'n bal wat van die grond af gegooi word, vertraag. Met dieselfde spoed as 'n klein asteroïde, sal dit nooit stop nie.
Aan die begin van hierdie teoretiese gooi vanaf die sisteem, kan dit voorkom asof dit teen die regte spoed gegooi is om vir ewig te gaan, en vertraag tot nul oor 'n oneindige afstand. Maar mettertyd het dit al hoe duideliker geword. As iemand die venster van spoed selfs met 'n klein hoeveelheid gemis het, na 20 miljard jaar se reis, het dit steeds gelyk of die bal teen die regte spoed gegooi is.
Enige afwykings van platheid word met verloop van tyd oordryf, en in hierdie stadium van die heelal moes die klein onreëlmatighede aansienlik toegeneem het. As die digtheid van die huidige kosmos baie naby aan krities lyk, dan moes dit in vroeër eras selfs nader aan plat gewees het. Alan Guth erken Robert Dicke se lesing as een van die invloede wat hom op die pad van inflasie geplaas het. Robert het daarop gewysdie platheid van die huidige kosmologiese model van die heelal sal vereis dat dit plat moet wees tot een deel in 10–14 keer per sekonde ná die oerknal. Kaufmann stel voor dat die digtheid onmiddellik daarna gelyk moes gewees het aan die kritieke een, dit wil sê tot 50 desimale plekke.
In die vroeë 1980's het Alan Guth voorgestel dat na die Planck-tyd van 10–43 sekondes, daar 'n kort tydperk van uiters vinnige uitbreiding was. Hierdie inflasionêre model was 'n manier om beide die platheidprobleem en die horisonkwessie te hanteer. As die heelal met 20 tot 30 ordes van grootte opgeswel het, dan is die eienskappe van 'n uiters klein volume, wat as dig gebind beskou kan word, vandag deur die bekende heelal voortgeplant, wat bygedra het tot beide uiterste platheid en 'n uiters isotropiese aard.
Dit is hoe die moderne kosmologiese modelle van die Heelal kortliks beskryf kan word.
