Principiul cosmologic

Principiul cosmologic  este poziția principală a cosmologiei moderne , conform căreia fiecare observator în același moment de timp , indiferent de locul și direcția de observație, descoperă aceeași imagine în Univers în medie. Independența față de locul de observație , adică egalitatea tuturor punctelor din spațiu , se numește omogenitate ; independența față de direcția de observație , adică absența unei direcții distincte în spațiu - izotropie (absența sa este anizotropie ). Absența omogenității ar atrage anizotropie, în timp ce absența izotropiei nu duce neapărat la neomogenitate [1] . În același timp, prezența izotropiei în toate punctele spațiului duce la omogenitate automată [2] .

Termenul de principiu cosmologic a fost folosit pentru prima dată în 1935 de către cosmologul britanic Edward Arthur Milne . Inițial, asumarea omogenității și izotropiei Universului a stat la baza teoriilor cosmologice ale lui Albert Einstein , Willem de Sitter , Alexander Friedmann , iar rădăcinile sale se întorc la sistemele filozofice naturale ale lui Giordano Bruno , Rene Descartes și cele cosmologice. vederi ale lui Isaac Newton .

Principiul cosmologic este valabil doar aproximativ, la scari mult mai mari decât dimensiunea unui grup de galaxii. Într-adevăr, firele și pereții , golurile , grupurile și superclusterele de galaxii , galaxii , stele , planete sunt abateri de la uniformitatea Universului , deoarece existența lor înseamnă că condițiile fizice în diferite puncte sunt diferite. Cu toate acestea, abaterile de la uniformitate și izotropie nu sunt foarte importante dacă mergem la scari foarte mari, care depășesc aproximativ câteva sute de milioane de ani lumină . Cea mai bună dovadă a izotropiei Universului pe cele mai mari scale este valoarea foarte mică a anizotropiei observate a CMB  - aproximativ .

Descriere

În trecut, mulți oameni de știință au presupus că universul este ierarhic : fiecare sistem material face parte dintr-un sistem de nivel superior . Dacă ar fi așa, ar însemna o încălcare a principiului cosmologic, deoarece indiferent de cât spațiu am considera, ar exista întotdeauna o direcție preferată - direcția către centrul celui mai apropiat sistem de un nivel superior.

Cu toate acestea, acest punct de vedere pare a fi infirmat de datele observaționale. Cea mai importantă dintre acestea este izotropia radiației cosmice de fond cu microunde . În plus, radiația de fundal cu raze X emisă de obiecte îndepărtate, cum ar fi quasari , gazul intergalactic fierbinte etc. , arată, de asemenea, un grad ridicat de izotropie. În cele din urmă, deși galaxiile din apropiere sunt concentrate spre planul Superclusterului Local (și chiar mai aproape de grupul de galaxii din constelația Fecioarei ), distribuția galaxiilor îndepărtate arată un grad foarte ridicat de izotropie.

Calculele directe ale galaxiilor indică faptul că, cu cât este mai mare dimensiunea caracteristică a unui sistem de galaxii (grupuri, clustere , superclustere ), cu atât acest sistem se distinge mai slab de fundalul înconjurător. De exemplu, sistemele mai mari de 100 Mpc au o densitate cu doar câteva procente mai mare decât densitatea medie a Universului. Aceasta spune doar că, pe măsură ce scara crește, Universul tinde spre uniformitate și izotropie, în deplină concordanță cu principiul cosmologic.

De obicei, se crede că trecerea de la structurare la uniformitate și izotropie are loc la scări de ordinul a jumătate de miliard de ani lumină. Dacă luăm un cub cu o muchie de această dimensiune, atunci numărul de stele și galaxii din interiorul acestuia va fi aproximativ același, indiferent în ce parte a Universului plasăm acest cub. Câteva mii de astfel de cuburi pot încăpea în partea vizibilă a Universului. Aceasta înseamnă că la scară largă universul este omogen și izotrop, în conformitate cu principiul cosmologic. Cu toate acestea, scara exactă pe care are loc tranziția de la neomogenitatea la scară mică la omogenitatea la scară mare nu a fost încă clarificată în cele din urmă.

Câteva concluzii importante privind structura Universului decurg direct din principiul cosmologic. De exemplu, Universul ca întreg nu ar trebui să se rotească (deoarece axa de rotație ar fi o direcție preferată), nu ar trebui să aibă un centru și o limită spațială (altfel condiția de uniformitate a Universului ar fi încălcată).

Legea lui Hubble

Legea mișcării galaxiilor, compatibilă cu principiul cosmologic, este legea lui Hubble : viteza radială v a oricărei galaxii este proporțională cu distanța r de ea:

,

unde H  este un factor de proporționalitate numit constantă Hubble . La prima vedere, se pare că legea lui Hubble contrazice principiul cosmologic, deoarece pare să rezulte din acesta că locația noastră este centrul din care se împrăștie toate celelalte galaxii. De fapt, această părere este falsă. Dacă am fi localizați în orice alt sistem stelar, am fixa exact aceeași lege a recesiunii galaxiilor.

Mai mult, legea lui Hubble este singura lege a recesiunii galaxiilor care nu contrazice principiul cosmologic. Acest lucru poate fi verificat după cum urmează. Luați în considerare o figură geometrică formată din mai multe galaxii. Odată cu trecerea timpului, această cifră trebuie să crească în așa fel încât să rămână mereu asemănătoare cu ea însăși (altfel, distanțele într-o direcție ar crește mai repede decât în ​​cealaltă, iar acest lucru contrazice izotropia Universului). Prin urmare, în același timp, distanța până la fiecare galaxie ar trebui să crească de același număr de ori. Fie galaxia A situată de N ori mai departe de un centru ales arbitrar (de exemplu, Galaxia noastră) decât o altă galaxie B. Prin urmare, trebuie să se miște de N ori mai repede decât galaxia B. Cu alte cuvinte, viteza galaxiei trebuie să fie proporțională cu distanța până la acesta, ceea ce spune legea Hubble .

Astronomul american Allan Sandage a remarcat o contradicție: legea lui Hubble este valabilă chiar și în interiorul „celulei eterogenității”, la distanțe de aproximativ 2 Mpc, în timp ce trecerea la omogenitatea Universului are loc la distanțe de cel puțin 100 de ori mai mari. Acest paradox este rezolvat cu implicarea „ energiei întunecate ”, care determină dinamica deja la distanțe de 1,5-2 Mpc și este distribuită cu un grad de uniformitate mult mai mare decât materia [3] [4] . Cu toate acestea, acest punct de vedere nu este împărtășit de toți experții [5] .

Anizotropia dipolului

În anii 1970, a fost descoperită anizotropia dipolului radiației cosmice de fond cu microunde - în direcția constelației Leului, temperatura acestei radiații este cu 0,1% mai mare decât în ​​medie, iar în direcția opusă este cu aceeași cantitate mai mică [ 6] . Cu toate acestea, anizotropia dipolului nu încalcă principiul cosmologic, deoarece caracterizează nu fundalul microundelor în sine , ci mișcarea noastră în raport cu acesta. Cert este că, conform efectului Doppler , atunci când receptorul de radiație se apropie de sursă, lungimea de undă scade (se observă deplasarea la albastru), iar atunci când este îndepărtată, aceasta crește (deplasarea la roșu). Dar lungimea de undă este legată de temperatura radiației prin legea lui Wien . Prin urmare, anizotropia dipolului radiației relicve indică faptul că Soarele, împreună cu Pământul și planetele, se deplasează în raport cu această radiație spre constelația Leului. Viteza acestei mișcări este de aproximativ 370 km/s. Deoarece CMB este radiația Universului în ansamblu, putem spune că acești 370 km/s este viteza Soarelui în raport cu Universul în ansamblu. Cunoscând magnitudinea și direcția vitezei de rotație a Soarelui în jurul centrului Galaxiei (220 km/s, direcția către constelația Cygnus), putem calcula viteza Galaxiei în ansamblu în raport cu radiația de fond, care se dovedește a fi 620 km/s. Această viteză particulară a noastră este luată în considerare atunci când verificăm acuratețea legii lui Hubble.

Probleme

În ciuda succesului teoriei care decurge din principiul cosmologic, există fapte observaționale care sunt în aparentă contradicție cu principiul cosmologic:

• T. n. „ Axa răului ”, descoperită în 2006, este o anizotropie slabă, inexplicabilă, a fondului cosmic cu microunde [7] .
• Calculele galaxiilor arată neomogenitate chiar și la scări de peste 400 de milioane de ani lumină. ani [8] .
• Prezența unei direcții preferate de rotație a galaxiilor [9] [10] .
• Existența unor sisteme extragalactice de mare întindere (un grup uriaș de quasari cu cea mai mare lungime de 4 miliarde de ani lumină [11] , peretele galactic Hercules - Corona de Nord cu o lungime de 10 miliarde de ani lumină).
• Anizotropia intensității razelor X a grupurilor îndepărtate de galaxii, care poate indica neomogenitatea expansiunii universului în funcție de direcție [12] .

Cu toate acestea, semnificația statistică a acestor fenomene pentru cosmologie nu este încă clară - se presupune ipotetic că nu contrazic izotropia și omogenitatea globală, cel mai strict dovedită de micimea fluctuațiilor CMB . Cu toate acestea, în structura radiației relicve în sine, se observă fenomene care probabil pot contrazice principiul izotropiei. De exemplu, super-vidul lui Eridani .

Vezi și

• Univers
• Expansiunea universului
• principiul copernican
• Structura la scară largă a Universului

Link -uri

• Site despre cosmologia modernă .
• Principiul cosmologic .
• Tutorialul de cosmologie al lui Ned Wright .
• O. Lahav. Teste observaționale pentru principiul cosmologic și modelele lumii .
• K. Wu, O. Lahav, M. Rees. Netezimea la scară largă a Universului .
• P. J. E. Peebles. Modelul cosmologic standard .
• D. W. Hogg şi colab. Omogenitatea cosmică demonstrată cu galaxii roșii luminoase .

Surse

1. ↑ Weinberg S., Primele trei minute: o viziune modernă asupra originii Universului, Moscova-Ijevsk, Editura RHD, 2000, p. 39.
2. ↑ Mizner C., Thorn K., Wheeler J. § 27.3. Sensul geometric al omogenității și izotropiei // Gravitația . - M . : Mir, 1977. - T. 2. - S. 384.
3. ↑ A.D. Chernin: vid fizic și antigravitație cosmică . Consultat la 7 februarie 2006. Arhivat din original pe 29 aprilie 2005. (nedefinit)
4. ↑ A.D. Chernin: Energia întunecată este aproape de noi . Consultat la 7 februarie 2006. Arhivat din original pe 17 februarie 2006. (nedefinit)
5. ↑ Lukash V.N., Rubakov V.A. „Energia întunecată: mituri și realitate” UFN 178 301–308 (2008) . Preluat la 28 aprilie 2020. Arhivat din original la 6 februarie 2020. (nedefinit)
6. ↑ N. Wright, History of the CMB Dipole Anisotropy Arhivat 25 iunie 2010 la Wayback Machine .
7. ↑ Natalia Leskova, Andrey Vaganov. Universul este complex, dar nu haotic . Nezavisimaya Gazeta (12 aprilie 2006). Consultat la 3 septembrie 2010. Arhivat din original pe 9 februarie 2012. (nedefinit)
8. ↑ F. Sylos Labini, Yu. V. Baryshev , Testing the Copernican and Cosmological Principles in the local universe with galaxie surveys Arhivat 3 decembrie 2021 la Wayback Machine .
9. ↑ Oamenii de știință au găsit o urmă a rotației Universului la naștere Arhivat 18 februarie 2012 la Wayback Machine .
10. ↑ Detectarea unui dipol în mâna galaxiilor spirale cu deplasări spre roșu z  ∼ 0,04  // Physics Letters B. - 2011. - Vol. 699 , nr. 4 . - S. 224-229 . - doi : 10.1016/j.physletb.2011.04.008 .
11. ↑ Grupul deschis de quasari pune sub semnul întrebării Principiul Cosmologic .
12. ↑ K. Migkas, G. Schellenberger, T.H. Reiprich, F. Pacaud, M.E. Ramos-Ceja și L. Lovisari. Testarea izotropiei cosmice cu un nou eșantion de cluster de galaxii cu raze X prin relația de scalare LX-T  // Astronomie și Astrofizică  . - EDP Sciences , 2020. - Nr. 636 . Arhivat din original pe 29 septembrie 2021.

Dicționare și enciclopedii	Mare catalană mare chinezesc Mare norvegian Britannica (online)