Modello standard della cosmologia
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Cosmologia
| Modello standard della cosmologia |
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Big Bang Inflazione cosmica nucleosintesi fondamentale Energia oscura Materia oscura Universo osservabile |
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Fondo cosmologico diffuso Espansione dell'Universo Strutture dell'Universo su larga scala |
Il Modello Standard della Cosmologia è il nome dato al modello cosmologico che al momento attuale descrive in modo più soddisfacente le fasi principali della storia dell'universo osservabile così come il suo contenuto attuale come rivelato dalle osservazioni astronomiche . Il modello standard descrive l'universo come uno spazio omogeneo e isotropo in espansione , al quale si sovrappongono grandi strutture formate dal collasso gravitazionale di disomogeneità primordiali, a loro volta formatesi durante la fase di inflazione .
Il termine "modello standard della cosmologia" si ispira al modello standard della fisica delle particelle . Come quest'ultimo, ha la caratteristica di consentire una descrizione attenta e dettagliata dell'universo, ma non spiega tuttavia la natura di alcuni costituenti dell'universo, né la loro relativa abbondanza.
Il termine modello standard di cosmologia è emerso intorno all'anno 2000 , in seguito all'arrivo di una quantità significativa di osservazioni astronomiche legate alla cosmologia , in particolare nuovi cataloghi di galassie come SDSS e 2dFGRS , l'osservazione sempre più dettagliata delle anisotropie del fondo diffuso cosmico con gli esperimenti BOOMERanG e Archeops , poi l' osservatorio spaziale Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), nonché l'osservazione di supernove lontane e quella degli effetti del taglio gravitazionale .
Il modello standard della cosmologia illustra il fatto che la cosmologia moderna è entrata in un'era chiamata "precisione", dove una grande quantità di dati consente un confronto molto restrittivo tra modelli cosmologici e osservazioni.
Posizione del problema: cos'è un modello cosmologico realistico?
Le due caratteristiche principali dell'universo osservabile sono che è omogeneo e isotropo su larga scala, e che si sta espandendo . L'obiettivo della cosmologia è quindi proporre un modello che descriva un tale universo e spieghi le strutture che vi si sono formate. In pratica, la dinamica dell'espansione dell'universo è governata dalla relatività generale , o forse da un'altra teoria relativistica della gravità . Questo predice che se l'universo è, come osserviamo, omogeneo e isotropo, allora ha generalmente una dinamica (è in espansione o in contrazione). L'espansione osservata dell'universo indica che in passato era più denso e più caldo. Un certo numero di indicazioni, in particolare l' abbondanza di elementi leggeri (derivanti dalla nucleosintesi primordiale ), indicano che questa fase calda ha raggiunto almeno una temperatura di 1 miliardo di °C : è il Big Bang .
L'universo attuale ha un gran numero di strutture come stelle , galassie , ammassi di galassie e superammassi di galassie : su larga scala, è omogeneo, ma è piuttosto irregolare su piccola scala. L'osservazione dell'universo 380.000 anni dopo il Big Bang, attraverso lo sfondo diffuso cosmico, mostra d'altra parte che l'universo a quel tempo era molto più omogeneo di quanto lo sia oggi. Il meccanismo dell'instabilità gravitazionale permette di spiegare che gli oggetti astrofisici possono eventualmente formarsi da una distribuzione della materia inizialmente non molto disomogenea, l'effetto attrattivo della gravità tende ad aiutare regioni più dense del loro ambiente ad attrarre la materia correlata. È quindi gradualmente che si sono formate le grandi strutture dell'universo. I dettagli di questo processo di formazione di grandi strutture, invece, dipendono da molti parametri, in particolare dalle proprietà delle forme di materia che riempiono l'universo.
L'obiettivo di un modello cosmologico realistico è quindi quello di proporre uno scenario che permetta di rendere conto il più precisamente possibile di tutte le osservazioni. Ci sono essenzialmente due fasi:
- Quello che si riferisce alla cosmologia primordiale che deve spiegare:
- come durante il Big Bang l'universo potesse trovarsi nello stato molto omogeneo che si osserva dallo sfondo diffuso cosmologico,
- perché a quel tempo esistevano già piccole irregolarità,
- come le diverse forme di materia che conosciamo ( materia barionica (cioè gli atomi), neutrini , fotoni ) potrebbero essere uscite dal Big Bang;
- Quello che riguarda più la cosmologia osservativa , che deve spiegare:
- l'attuale distribuzione di galassie, ammassi e superammassi di galassie rivelata dai cataloghi di galassie ,
- le proprietà fisiche di questi (dimensioni, massa, temperatura, ecc.),
- l'evoluzione della loro distribuzione che osserviamo confrontando l'attuale distribuzione di questi oggetti con quella che avevano in passato osservando le epoche più antiche della storia dell'universo.
Test cosmologici disponibili
Per questo sono disponibili una serie di osservazioni:
- la misurazione dell'abbondanza di elementi leggeri : si stabilisce che quando la temperatura dell'Universo scende al di sotto del miliardo di gradi, i protoni e i neutroni esistenti si combinano poi per formare talvolta alcuni nuclei di atomi di basso numero atomico : deuterio , elio e litio : questa è la nucleosintesi primordiale . La relativa abbondanza di questi elementi cosiddetti “leggeri” dipende dalle condizioni fisiche che regnavano in quel momento;
- il fondo cosmologico diffuso , che offre una foto dell'universo nel momento in cui è diventato sufficientemente rado da consentire alla luce di propagarsi liberamente (cosiddetto periodo di ricombinazione , circa 380.000 anni dopo il Big Bang);
- osservazioni di galassie, ammassi di galassie e super ammassi situati a distanze diverse e quindi visti in momenti diversi,
- la misurazione dell'influenza gravitazionale di questi sul loro ambiente dagli effetti della lente gravitazionale
- misurazione dell'assorbimento da parte di materia non concentrata nelle galassie di radiazioni provenienti da quasar distanti ( foresta Lyman-α ),
- Ogni volta che il tasso di espansione dell'Universo (la costante di Hubble ) e la sua evoluzione nel tempo attraverso la distanza di luminosità di alcuni oggetti come le supernove di tipo Ia.
In un futuro più o meno lontano è possibile osservare altri fenomeni che permetterebbero di sondare altri aspetti dell'universo osservabile:
- Il fondo cosmologico dei neutrini , che corrisponde all'equivalente del fondo cosmico diffuso, ma per i neutrini. Questo è stato rilasciato molto prima nella storia dell'universo, una frazione di secondo dopo il Big Bang.
- Lo sfondo cosmologico delle onde gravitazionali , che rappresenta le onde gravitazionali primordiali originatesi dal momento in cui si verificavano gli effetti della gravità quantistica nell'Universo. Renderebbe possibile sondare l'Universo in tempi ancora più antichi.
Il contenuto materiale dell'Universo
Materia barionica
Lo sfondo diffuso cosmologico
Lo sfondo cosmologico dei neutrini
Materia oscura
Energia oscura
La formazione di grandi strutture nell'Universo
La generazione delle fluttuazioni di densità nell'universo
Le caratteristiche del modello cosmologico standard ΛCDM
Questo modello ΛCDM rappresenta un universo:
- spazialmente omogenea e isotropa su larga scala (quindi anche con curvatura spaziale costante) corrispondente alla metrica di Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker .
- riempito con un fluido perfetto di pressione generalmente nulla (gas galattico corrispondente a :) e densità composta da materia calda (relativistica o radiazione) e materia fredda (non relativistica).
- la cui curvatura spaziale è zero (parametro di curvatura k = 0).
- che conterrebbe, oltre alla materia ordinaria, materia oscura (surplus di gravità di cui hanno bisogno le galassie per non disfarsi durante la loro rotazione) ed energia oscura (forza repulsiva globale che tende ad accelerare l'espansione dell'universo e che richiede: costante cosmologica LAMBDA > 0).
- da un'esplosione primordiale (modello Big Bang che richiede:) .
Uno studio è stato pubblicato su febbraio 2017sostenendo che il modello ΛCDM è costruito sulla base di stratagemmi convenzionali , rendendo impossibile confutare nel senso definito da Karl Popper .
Esperienze future
Note e riferimenti
Appunti
- Taillet, Villain e Febvre 2018 , sv modello standard di cosmologia, p. 482, col. 1 .
- Questo qualificatore è considerato un po' ottimista e prematuro da alcuni cosmologi , ma tuttavia attesta indiscutibilmente l'esplosione del numero di osservazioni ora disponibili.
- Tali modelli, come la teoria MOND, sono relativamente marginali.
- (in) David Merritt, " Cosmologia e accordo " , Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics , Vol. 57,1 ° febbraio 2017, pag. 41-52 ( ISSN 1355-2198 , DOI 10.1016 / j.shpsb.2016.12.002 , leggere on-line , accessibile 1 ° gennaio 2019 )
Riferimenti
- [Bouchet 2005] F. Bouchet , “Cosmologie” , in A. Aspect , F. Bouchet , É. Brunet et al. ( proprietario di M. Leduc e M. Le Bellac ), Einstein oggi , EDP Scie. e CNRS , coll. "Conoscenza attuale/fisica",gennaio 2005, 1 ° ed. , 1 vol. , VIII- 417 p. , malato. e porto. , 15,5 × 23,2 cm ( ISBN 2-86883-768-9 e 2-271-06311-6 , EAN 9782868837684 , OCLC 61336564 , avviso BnF n o FRBNF39916190 , SUDOC 083929657 , presentazione online , leggi online ) , cap. 7 , pag. 321-417.
- [Taillet, Villain e Febvre 2018] R. Taillet , L. Villain e P. Febvre , Dizionario di fisica , Louvain-la-Neuve, De Boeck Sup. , eccetto col . ,gennaio 2018, 4 ° ed. ( 1 st ed. maggio 2008), 1 vol. , X -956 pag. , malato. e fig. , 17 × 24 cm ( ISBN 978-2-8073-0744-5 , EAN 9782807307445 , OCLC 1022951339 , SUDOC 224228161 , presentazione online , leggi online ) , sv Standard Model of Cosmology, p. 482, col. 1.
- Libri specializzati sulla cosmologia
- (it) Archivio legacy per l'analisi dei dati di fondo a microonde (LAMBDA) Archivio che elenca i dati relativi al fondo cosmico diffuso e gli strumenti per l'elaborazione di questi dati
- (fr) Pagina professionale di Wayne Hu , cosmologo presso l' Università di Chicago
- ( fr ) Initiation à la cosmology , di Edward L. Wright , cosmologo dell'Università della California a Los Angeles
- ( fr ) Pagina professionale di Max Tegmark , cosmologo al Massachusetts Institute of Technology