La cosmologia può essere concepita solo formulando ipotesi semplificative chiamate " principi cosmologici ". Senza questo artificio, sarebbe davvero necessario conoscere le velocità e le posizioni di tutte le particelle nello spazio, il che è semplicemente impossibile.
Ci sono attualmente quattro principi fondamentali:
Il principio cosmologico di omogeneità e isotropia è l'ipotesi oggi generalmente considerata verificata che l' Universo sia spazialmente omogeneo , cioè il suo aspetto generale non dipende dalla posizione dell'osservatore. La conseguenza è che l'Uomo non occupa una posizione privilegiata nell'Universo, in opposizione alla teoria geocentrica (ora abbandonata), ma secondo il principio copernicano . In pratica, il principio cosmologico presuppone anche che l'Universo sia isotropo , cioè che il suo aspetto non dipenda dalla direzione in cui viene osservato (ad esempio la sua velocità di espansione non dipende dalla direzione).
Il principio cosmologico fu formulato implicitamente da Albert Einstein nel 1917 quando stava cercando soluzioni alle equazioni della relatività generale che descrivono l'Universo nel suo insieme. Essendo queste equazioni estremamente complesse, generalmente non ammettono soluzioni semplici. Tuttavia, rimane possibile risolverli se assumiamo che lo spazio abbia un numero sufficiente di simmetrie , come nel caso del principio cosmologico. Fu poi formulato in modo più esplicito da Edward Milne nei primi anni '30 .
Il principio cosmologico, all'epoca in cui fu introdotto da Einstein, non era supportato da robuste osservazioni perché nessun oggetto al di fuori della Via Lattea era stato identificato come tale. È stato rafforzato dalle osservazioni in quanto sono state in grado di verificare che l' Universo osservabile era effettivamente omogeneo e isotropo su distanze sempre più grandi (diverse decine di miliardi di anni luce per l'intero mondo). Universo osservabile).
Oggi, qualsiasi modello cosmologico che pretenda di descrivere l'Universo deve essere basato sul principio cosmologico, o almeno spiegare perché l'Universo osservabile lo rispetta.
Il principio cosmologico è ben verificato dalle osservazioni. La prova più ovvia in questo senso è l'isotropia quasi perfetta dello sfondo cosmico diffuso . D'altra parte, non è scontato a priori che l'Universo rispetti il principio cosmologico: se l'Universo non fosse stato in passato perfettamente omogeneo e isotropo, l'effetto della gravità avrebbe teso ad amplificare le disomogeneità già esistenti da un meccanismo noto come Instabilità dei jeans . La giustificazione del principio cosmologico si scontra così a lungo con la necessità di immaginare uno stato inizialmente sufficientemente omogeneo per l'Universo primordiale, presupposto generalmente considerato poco cosmetico e non giustificato. Questo problema è generalmente indicato come il problema dell'orizzonte . Qualsiasi modello cosmologico serio deve fornire una spiegazione al problema dell'orizzonte, in generale proponendo un processo fisico che spieghi come l'Universo, o comunque la parte accessibile alle nostre osservazioni, possa passare da uno stato inizialmente disordinato a uno omogeneo e isotropo. stato. L' inflazione cosmica è stato il primo modello a offrire una spiegazione così realistica, che rimane ancora oggi la più convincente.
Le scoperte in Gennaio 2013dal gruppo di quasar Huge-LQG , poi nel 2016 dalla Grande Muraglia di Ercole-Corona Boreale (Her-CrB GW). potrebbe sfidare l'ipotesi di lavoro che è il principio cosmologico.
Basandosi sul successo del principio cosmologico di omogeneità e isotropia, ricercatori come Fred Hoyle , Thomas Gold e Hermann Bondi hanno proposto alla fine degli anni '50 una versione più forte del principio cosmologico, il principio cosmologico perfetto , in cui l'Universo è identico a se stesso non solo per traduzione nello spazio, ma anche per traduzione nel tempo. Essendo l'Universo inoltre in espansione, il modo per conciliare questi due presupposti è supporre un processo di creazione continua di materia per compensare la diluizione dovuta all'espansione: è la teoria dello stato stazionario . Questo modello, un tempo in competizione con quello del Big Bang (quest'ultimo basato sul principio cosmologico di omogeneità e isotropia), è stato abbandonato da diversi decenni a causa della sua incapacità di rendere conto di tutte le osservazioni cosmologiche. E in particolare del esistenza dello sfondo cosmico diffuso.
Questo terzo principio richiede che non solo l'Universo rimanga identico a se stesso per traslazione nello spazio e nel tempo, ma anche che la geometria dello spazio-tempo, compresa la distanza media tra due galassie, rimanga globalmente costante. Quindi supera il perfetto principio cosmologico. È usato da C. Johan Masreliez per il "modello di espansione in scala del cosmo" o EST per la teoria dell'espansione dello spaziotempo o l'acronimo SEC per Scale Expanding Cosmos in inglese.
La prova che l'Universo è omogeneo risulta essere relativamente difficile da stabilire, perché le osservazioni consentono di sondare con precisione solo l'Universo vicino. L'osservazione di regioni più distanti rivela oggetti celesti che a volte sono diversi, poiché i pregiudizi dell'osservazione (vedi pregiudizi di Malmquist ) rivelano preferenzialmente oggetti più rari e luminosi di quelli nell'Universo vicino. Alcuni rari ricercatori sono stati quindi indotti a proporre modelli cosmologici basati su una distribuzione disomogenea della materia, talvolta secondo una legge frattale . Tali modelli sono stati proposti dal franco - americano astronomo Gerard de Vaucouleurs nei primi anni 1970 , ma da allora sono stati abbandonati. In questo contesto, il principio cosmologico afferma che un osservatore si trova in media a una certa distanza da una sovradensità di una data dimensione, a una distanza maggiore da una sovradensità maggiore e così via .