L' universo è tutto ciò che esiste, governato da una serie di leggi.
La cosmologia cerca di comprendere l'universo da un punto di vista scientifico, come tutto il materiale distribuito nello spazio-tempo . Da parte sua, la cosmogonia mira a stabilire una teoria della creazione dell'Universo su basi filosofiche o religiose. La differenza tra queste due definizioni non impedisce a molti fisici di avere una concezione finalistica dell'Universo (vedi a questo proposito il principio antropico ).
Se vogliamo far combaciare il movimento delle galassie con le leggi fisiche come le intendiamo attualmente, possiamo considerare che accediamo solo attraverso l'esperienza a una piccola parte della materia dell'Universo, il resto costituito da materia oscura . Inoltre, per spiegare l'accelerazione dell'espansione dell'Universo , dobbiamo introdurre anche il concetto di energia oscura . Sono stati proposti diversi modelli alternativi per abbinare le equazioni e le nostre osservazioni adottando altri approcci.
Le scienze greche hanno cercato di capire il mondo e di spiegarlo:
Il filosofo e poeta romano Lucrezia , nel I secolo a.C. J.-C, afferma in De rerum natura che "l'universo esistente [...] non è limitato in nessuna delle sue dimensioni", che non ha "né limite né misura" e che importa "In quale regione del universo ci poniamo [...] poiché permettiamo all'immenso tutto di estendersi ugualmente in tutte le direzioni".
Questa conoscenza del mondo greco continuò e influenzò le scienze arabe dopo il crollo dell'Impero Romano d'Occidente. Rimasero presenti in Oriente (in particolare, con alterne vicende, a Bisanzio), anche se Cosma d'Alessandria tentò, senza successo, di ripristinare il modello di un mondo piatto.
Il Rinascimento porta al suo culmine questa rappresentazione del mondo, grazie alle esplorazioni e le grandi scoperte che hanno avuto luogo il XIII ° al XVI ° secolo, dai sistemi geografici e cosmologiche elaborato ( Mercator ).
La rivoluzione copernicana sconvolge questa cosmologia in tre fasi:
Sono stati sviluppati modelli fisici come la sfera armillare o l' astrolabio . Consentono di insegnare e calcolare la posizione delle stelle nel cielo visibile. Ancora oggi, la carta celeste mobile aiuta gli astrofili a orientarsi nel cielo, è una reincarnazione dell'astrolabio.
Nel 1781, l'astronomo britannico William Herschel scoprì Urano in orbita oltre l' orbita di Saturno , prima che venissero trovati Nettuno e Plutone , il mondo stava diventando sempre più grande.
Le osservazioni dello spostamento verso il rosso della radiazione elettromagnetica di altre galassie suggeriscono che si stanno allontanando dalla nostra galassia, a una velocità radiale in movimento proporzionale a questa distanza.
Studiando le galassie vicine, Edwin Hubble notò che la distanza di una galassia era proporzionale alla sua distanza dall'osservatore ( legge di Hubble ); tale legge può essere spiegata da un Universo visibile in espansione .
Sebbene la costante di Hubble sia stata rivista in passato in grandi proporzioni (con un rapporto di 10 a 1), la legge di Hubble è stata estrapolata a galassie lontane, per le quali la distanza non può essere calcolata usando la parallasse ; questa legge viene quindi utilizzata per determinare la distanza delle galassie più lontane.
Estrapolando l'espansione dell'Universo nel passato, arriviamo a un momento in cui doveva essere molto più caldo e molto più denso di oggi. È il modello Big Bang , disegnato da Georges Lemaître , canonico cattolico belga, che è un ingrediente essenziale dell'attuale modello standard della cosmologia e che oggi ha un gran numero di conferme sperimentali . La descrizione dell'inizio della storia dell'Universo da parte di questo modello, tuttavia, inizia solo dopo che è emerso da un periodo chiamato era di Planck , durante il quale la scala energetica dell'Universo era così ampia che il Modello Standard è non è in grado di descrivere i fenomeni quantistici che vi si sono verificati. Durante questo periodo, solo una teoria della gravità quantistica potrebbe spiegare il comportamento microscopico della materia sotto la forte influenza della gravità. Ma i fisici non hanno ancora (nel 2015) una tale teoria. Per ragioni di coerenza con le osservazioni, dopo l'era di Planck, il modello del Big Bang oggi favorisce l'esistenza di una fase di inflazione cosmica , molto breve ma durante la quale l'Universo sarebbe cresciuto con estrema rapidità. Fu dopo questa fase che la maggior parte delle particelle nell'Universo si sarebbe creata ad alta temperatura, innescando un gran numero di importanti processi che alla fine portarono all'emissione di una grande quantità di luce, chiamata fondo cosmico diffuso , che oggi possono essere osservati con grande precisione da tutta una serie di strumenti ( palloni meteorologici , sonde spaziali , radiotelescopi ).
È l'osservazione di questa radiazione fossile a microonde , notevolmente uniforme in tutte le direzioni, che costituisce oggi l'elemento capitale che stabilisce il modello del Big Bang come corretta descrizione dell'Universo nel suo lontano passato. Molti elementi del modello restano ancora da determinare (ad esempio il modello che descrive la fase di inflazione), ma c'è oggi un consenso della comunità scientifica attorno al modello del Big Bang .
Nell'ambito del modello ΛCDM , i vincoli derivanti dalle osservazioni della sonda WMAP sui parametri cosmologici indicano un valore più probabile per l' età dell'Universo a circa 13,82 miliardi di anni con un'incertezza di 0,02 miliardi di anni, che è in accordo con dati indipendenti dall'osservazione di ammassi globulari e di nane bianche . Questa età è stata confermata nel 2013 dalle osservazioni del satellite Planck.
Ad oggi, nessun dato scientifico ci permette di dire se l'Universo sia finito o infinito . Alcuni teorici propendono per un Universo infinito, altri per un Universo finito ma illimitato. Un esempio di Universo finito e illimitato sarebbe lo spazio che si chiude su se stesso. Se entrassimo dritti in questo Universo, dopo un viaggio, sicuramente molto lungo, sarebbe possibile ripassare vicino al punto di partenza.
I documenti di ricerca cosmologica popolari e professionali usano spesso il termine "Universo" nel senso di " Universo osservabile ". L'essere umano vive al centro dell'Universo osservabile, il che è in apparente contraddizione con il principio di Copernico secondo il quale l'Universo è più o meno uniforme e non ha un centro particolare. Il paradosso si risolve semplicemente tenendo conto del fatto che la luce viaggia alla stessa velocità in tutte le direzioni e che la sua velocità non è infinita: guardare lontano è guardare un evento spostato nel passato del tempo impiegato luce per percorrere la distanza che separa l'osservatore dal fenomeno osservato. Tuttavia, non è possibile per noi vedere alcun fenomeno prima del Big Bang . Pertanto, i limiti dell'Universo osservabile corrispondono al luogo più lontano dell'Universo per il quale la luce ha impiegato meno di 13,82 miliardi di anni per raggiungere l'osservatore, il che inevitabilmente lo pone al centro del suo Universo osservabile. La prima luce emessa dal Big Bang 13,82 miliardi di anni fa è chiamata “ orizzonte cosmologico ” .
Si stima che il diametro di questo Universo osservabile sia di 100 miliardi di anni luce. Questa contiene circa 7 × 10 22 stelle, distribuite in circa 100 miliardi di galassie, a loro volta organizzate in ammassi e superammassi di galassie. Ma il numero di galassie potrebbe essere anche maggiore, a seconda del campo profondo osservato con il telescopio spaziale Hubble . Per quanto riguarda il numero di atomi contenuti nell'universo, si stima intorno a 10 80 .
Tuttavia, è possibile che l'Universo osservabile sia solo una piccola parte di un Universo reale molto più grande.
L'universo non può avere un "margine" nel senso intuitivo della parola. Infatti, l'esistenza del bordo implicherebbe l'esistenza di un esterno all'Universo. Tuttavia, per definizione l'Universo è l'insieme di tutto ciò che esiste, quindi nulla può esistere al di fuori. Tuttavia, questo non significa che l'Universo sia infinito, può essere finito senza avere un "bordo", senza avere effettivamente un esterno.
D'altra parte, ciò solleva la questione della compatibilità con la conservazione dell'energia . Infatti, la stessa definizione dell'universo lo rende un sistema isolato (perché se l'universo U1 potesse trasferire energia con un altro sistema S1, allora l'universo reale sarebbe U2 = U1 + S1). E in un sistema isolato non può esserci creazione di energia.
Una questione importante in cosmologia è conoscere la forma dell'Universo .
Ora sappiamo (dal 2013) che l'Universo è piatto con un margine di errore di solo lo 0,4%. Ciò suggerisce che l'Universo è infinito in estensione . Tuttavia, poiché la velocità della luce è finita e costante anche nel vuoto, l'età finita dell'Universo implica che solo un volume finito dell'Universo è accessibile all'osservazione diretta dalla Terra; si parla poi di Universo osservabile . Tutto ciò che possiamo veramente concludere è che l'Universo è molto più grande del volume che possiamo osservare direttamente.
Secondo le previsioni del modello cosmologico oggi più diffuso, gli “oggetti galattici” avranno una fine: è la morte termica dell'Universo . Il Sole , per esempio, si spegnerà tra 5 (a 7) miliardi di anni, quando avrà consumato tutto il suo combustibile. Alla fine, anche le altre stelle si evolveranno in cataclismi cosmologici (esplosioni, collassi). Le nascite delle stelle stanno già rallentando per mancanza di materiale, che diventa scarso nel tempo. Tra circa 20 miliardi di anni nessuna stella si accenderà. L'Universo sarà popolato da stelle estinte (stelle di neutroni , nane bianche , buchi neri ) e nane rosse residue. In tempi molto più lunghi, le galassie si disintegreranno in collisioni giganti attraverso le loro interazioni gravitazionali interne ed esterne.
Per quanto riguarda il contenitore ("spazio"), alcuni fisici ritengono che il processo di espansione sarà rallentato e invertito gravitazionalmente nello scenario del Big Crunch . Per altri , L'espansione, che ora sembra stagnare, si fermerà per sempre. A poco a poco, le stelle estinte si agglutineranno in buchi neri . L'Universo, senza alcuna struttura, non sarà altro che un bagno di fotoni sempre più freddi. Tutta l'attività nell'Universo sarà così estinta per sempre: questo è il Grande Freddo . Esiste uno scenario simile: il Big Chill modificato . La gravità e l'energia oscura rimangono costanti ma tendono ad accelerare. L'universo subirà il Grande Raffreddamento ma l'espansione continuerà in modo stabile e ogni attività cesserà. Le galassie si fonderanno e poi gradualmente moriranno. Se, al contrario, la quantità di energia oscura cresce, l'Universo continuerà la sua espansione ad una velocità sempre maggiore per esplodere a tutte le scale: tutta la materia che lo compone (compresi gli atomi ) sarà lacerata dall'espansione dello spazio. il tempo stesso sarà distrutto. Questo è il Big Rip (letteralmente: "grande crepacuore"). Alcuni modelli prevedono una tale fine tra 22 miliardi di anni.
Ciascuno di questi scenari dipende quindi da quanta energia oscura l'Universo conterrà in un dato momento. Attualmente, lo stato delle conoscenze suggerisce non solo che ci sia massa ed energia insufficienti per causare questo Big Rip , ma che l' espansione dell'Universo sembra accelerare e quindi continuerà per sempre.