Wszechświat jest wszystkim, co istnieje, regulowane przez szereg ustaw.
Kosmologia stara się zrozumieć świat z naukowego punktu widzenia, ponieważ cały materiał rozprowadzany w czasoprzestrzeni . Ze swojej strony kosmogonia ma na celu ustanowienie teorii stworzenia Wszechświata na podstawach filozoficznych lub religijnych. Różnica między tymi dwiema definicjami nie przeszkadza wielu fizykom mieć finalistycznej koncepcji Wszechświata (patrz na ten temat zasada antropiczna ).
Jeśli chcemy dopasować ruch galaktyk do praw fizyki, tak jak je obecnie rozumiemy, możemy uznać, że poprzez doświadczenie uzyskujemy dostęp tylko do niewielkiej części materii Wszechświata, pozostałej składającej się z ciemnej materii . Co więcej, aby wyjaśnić przyspieszenie ekspansji Wszechświata , musimy również wprowadzić pojęcie ciemnej energii . Zaproponowano kilka alternatywnych modeli, aby dopasować równania i nasze obserwacje, stosując inne podejścia.
Do nauki greckich próbował zrozumieć świat i to wyjaśnić:
Rzymski filozof i poeta Lukrecja w I wieku p.n.e. J.-C stwierdza w De rerum natura, że „istniejący wszechświat [...] nie jest ograniczony w żadnym ze swoich wymiarów”, że nie ma „ani granicy ani miary” i jakie to ma znaczenie „w którym regionie wszechświat stawiamy siebie [...] ponieważ pozwalamy ogromnej całości rozciągać się jednakowo we wszystkich kierunkach”.
Ta wiedza o świecie greckim była kontynuowana i wpłynęła na nauki arabskie po upadku Cesarstwa Zachodniorzymskiego. Pozostali obecni na Wschodzie (zwłaszcza z wzlotami i upadkami w Bizancjum), nawet jeśli Kosmas z Aleksandrii bezskutecznie próbował przywrócić model płaskiego świata.
Renaissance drzwi na jej szczyt to reprezentacja świata, dzięki poszukiwań i wielkich odkryć, które miały miejsce XIII th do XVI -tego wieku, od systemów geograficznych i kosmologicznych wyszukane ( Mercator ).
Kopernikańska rewolucja zakłóca tę kosmologię w trzech etapach:
Opracowano modele fizyczne, takie jak sfera armilarna czy astrolabium . Pozwalają uczyć i obliczać położenie gwiazd na widzialnym niebie. Nawet dzisiaj mobilna mapa nieba pomaga astronomom amatorom odnaleźć się na niebie, jest reinkarnacją astrolabium.
W 1781 roku brytyjski astronom William Herschel odkrył Urana krążącego poza orbitą Saturna , zanim odkryto Neptuna i Plutona , świat stawał się coraz większy.
Obserwacje przesunięciu ku czerwieni z promieniowaniem elektromagnetycznym z innych galaktyk sugerują, że są one odejście od naszej galaktyki, w poruszającej promieniowej prędkości proporcjonalna do tej odległości.
Badając pobliskie galaktyki, Edwin Hubble zauważył, że odległość galaktyki jest proporcjonalna do jej odległości od obserwatora ( prawo Hubble'a ); takie prawo może być wyjaśnione przez rozszerzający się widzialny Wszechświat .
Chociaż stała Hubble'a była w przeszłości korygowana w dużych proporcjach (w stosunku 10 do 1), prawo Hubble'a zostało ekstrapolowane na odległe galaktyki, dla których odległości nie można obliczyć za pomocą paralaksy ; to prawo jest zatem wykorzystywane do określenia odległości najbardziej odległych galaktyk.
Ekstrapolując ekspansję Wszechświata w przeszłości, dochodzimy do czasu, kiedy musiał być znacznie gorętszy i gęstszy niż dzisiaj. Jest to model Wielkiego Wybuchu , zaprojektowany przez Georges'a Lematre'a , belgijskiego kanonika katolickiego, który jest zasadniczym składnikiem obecnego standardowego modelu kosmologii i ma dziś wiele potwierdzeń eksperymentalnych . Opis początków historii Wszechświata tym modelem rozpoczyna się jednak dopiero po wyłonieniu się z okresu zwanego erą Plancka , podczas której skala energetyczna Wszechświata była tak duża, że Model Standardowy jest nie potrafił opisać zjawisk kwantowych, które tam miały miejsce. W tym czasie tylko teoria grawitacji kwantowej mogła wyjaśnić mikroskopijne zachowanie materii pod silnym wpływem grawitacji. Ale fizycy jeszcze (w 2015 roku) nie mają takiej teorii. Ze względu na spójność z obserwacjami, po erze Plancka, model Wielkiego Wybuchu sprzyja dziś istnieniu fazy kosmicznej inflacji , bardzo krótkiej, ale podczas której Wszechświat rozrósłby się niezwykle szybko. To właśnie po tej fazie większość cząstek we Wszechświecie powstałaby w wysokiej temperaturze, uruchamiając wiele ważnych procesów, które ostatecznie doprowadziły do emisji dużej ilości światła, zwanego kosmicznym tłem dyfuzyjnym , które dziś mogą być obserwowane z wielką precyzją przez całą serię instrumentów ( balony pogodowe , sondy kosmiczne , radioteleskopy ).
To właśnie obserwacja tego mikrofalowego promieniowania kopalnego , niezwykle jednolitego we wszystkich kierunkach, stanowi dziś główny pierwiastek, który ustanawia model Wielkiego Wybuchu jako poprawny opis Wszechświata w jego odległej przeszłości. Wiele elementów modelu wciąż pozostaje do ustalenia (np. model opisujący fazę inflacji), ale dziś istnieje konsensus środowiska naukowego wokół modelu Wielkiego Wybuchu .
W ramach modelu ΛCDM ograniczenia wynikające z obserwacji sondy WMAP na parametry kosmologiczne wskazują na najbardziej prawdopodobną wartość wieku Wszechświata na około 13,82 mld lat z niepewnością 0,02 mld lat, co jest zgodne z niezależnymi danymi z obserwacji gromad kulistych oraz białych karłów . Wiek ten został potwierdzony w 2013 roku obserwacjami z satelity Planck.
Do tej pory żadne dane naukowe nie pozwalają nam stwierdzić, czy Wszechświat jest skończony czy nieskończony . Niektórzy teoretycy opierają się na nieskończonym Wszechświecie, inni na skończonym, ale nieograniczonym Wszechświecie. Przykładem skończonego i nieograniczonego Wszechświata byłaby przestrzeń zamykająca się w sobie. Gdybyśmy weszli prosto do tego Wszechświata, po podróży, bardzo długiej, na pewno można by przejść ponownie w pobliżu jego punktu początkowego.
Popularne i profesjonalne artykuły naukowe dotyczące kosmologii często używają terminu „Wszechświat” w znaczeniu „ Wszechświat obserwowalny ”. Człowiek żyje w centrum obserwowalnego Wszechświata, co jest pozornie sprzeczne z zasadą Kopernika, która mówi, że Wszechświat jest mniej lub bardziej jednorodny i nie ma żadnego szczególnego centrum. Paradoks rozwiązuje się po prostu biorąc pod uwagę fakt, że światło porusza się z tą samą prędkością we wszystkich kierunkach i że jego prędkość nie jest nieskończona: patrzeć w dal to patrzeć na wydarzenie przesunięte w przeszłości o czas, jaki to zajęło. światło do pokonania odległości oddzielającej obserwatora od obserwowanego zjawiska. Nie jesteśmy jednak w stanie zobaczyć żadnego zjawiska sprzed Wielkiego Wybuchu . Tak więc granice obserwowalnego Wszechświata odpowiadają najbardziej odległemu miejscu we Wszechświecie, dla którego światło zajęło mniej niż 13,82 miliarda lat, aby dotrzeć do obserwatora, co nieuchronnie umieszcza go w centrum jego obserwowalnego Wszechświata. Pierwsze światło wyemitowane przez Wielki Wybuch 13,82 miliarda lat temu nazywane jest „ horyzontem kosmologicznym ” .
Szacuje się, że średnica tego obserwowalnego Wszechświata wynosi 100 miliardów lat świetlnych. Ta zawiera około 7 × 10 22 gwiazd, rozmieszczonych w około 100 miliardach galaktyk, które same są zorganizowane w gromady i supergromady galaktyk. Ale liczba galaktyk może być jeszcze większa, w zależności od głębokiego pola obserwowanego przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a . Liczbę atomów zawartych we wszechświecie szacuje się na około 10 80 .
Jednak możliwe jest, że obserwowalny Wszechświat jest tylko niewielką częścią znacznie większego rzeczywistego Wszechświata.
Wszechświat nie może mieć „krawędzi” w intuicyjnym znaczeniu tego słowa. Rzeczywiście, istnienie krawędzi sugerowałoby istnienie zewnętrza Wszechświata. Jednak z definicji Wszechświat jest zbiorem wszystkiego, co istnieje, więc nic nie może istnieć na zewnątrz. Nie oznacza to jednak, że Wszechświat jest nieskończony, może być skończony bez „krawędzi”, bez faktycznego posiadania zewnętrza.
Z drugiej strony rodzi to pytanie o zgodność z zasadą zachowania energii . Rzeczywiście, sama definicja wszechświata czyni go układem izolowanym (ponieważ gdyby wszechświat U1 mógł przenosić energię z innym układem S1, to rzeczywisty wszechświat byłby U2 = U1 + S1). A w izolowanym systemie nie może być żadnego tworzenia energii.
Ważną kwestią w kosmologii jest poznanie kształtu Wszechświata .
Teraz wiemy (od 2013 r.), że Wszechświat jest płaski z marginesem błędu zaledwie 0,4%. Sugeruje to, że Wszechświat ma nieskończony zasięg . Ponieważ jednak prędkość światła jest również skończona i stała w próżni, skończony wiek Wszechświata implikuje, że tylko skończona objętość Wszechświata jest dostępna do bezpośredniej obserwacji z Ziemi; wtedy mówimy o obserwowalnym Wszechświecie . Wszystko, co możemy naprawdę wywnioskować, to to, że Wszechświat jest znacznie większy niż objętość, którą możemy bezpośrednio obserwować.
Zgodnie z przewidywaniami najszerzej obecnie akceptowanego modelu kosmologicznego „obiekty galaktyczne” będą miały swój koniec: jest to śmierć termiczna Wszechświata . Na przykład Słońce zgaśnie za 5 (do 7) miliardów lat, kiedy zużyje całe swoje paliwo. Ostatecznie inne gwiazdy również będą ewoluować w kosmologicznych kataklizmach (eksplozje, zapadnięcia). Narodziny gwiazd już zwalniają z powodu braku materiału, który z czasem staje się coraz rzadszy. Za około 20 miliardów lat żadna gwiazda się nie zapali. Wszechświat będzie zaludniony wymarłymi gwiazdami (gwiazdami neutronowymi , białymi karłami , czarnymi dziurami ) oraz pozostałymi czerwonymi karłami . W znacznie dłuższych ramach czasowych galaktyki rozpadną się w gigantyczne kolizje poprzez swoje wewnętrzne i zewnętrzne oddziaływania grawitacyjne .
Jeśli chodzi o pojemnik („przestrzeń”), niektórzy fizycy wierzą, że proces ekspansji zostanie grawitacyjnie spowolniony i odwrócony w scenariuszu Big Crunch . Dla innych Ekspansja, która teraz wydaje się być w stagnacji, zatrzyma się na zawsze. Stopniowo wymarłe gwiazdy będą aglutynować w czarne dziury . Wszechświat bez żadnej struktury będzie niczym innym jak kąpielą coraz zimniejszych fotonów . Wszelka aktywność we Wszechświecie zostanie w ten sposób wygaszona na zawsze: to jest Wielki Chłód . Istnieje podobny scenariusz: zmodyfikowany Big Chill . Grawitacja i ciemna energia pozostają stałe, ale mają tendencję do przyspieszania. Wszechświat ulegnie Wielkiemu Ochłodzeniu, ale ekspansja będzie trwała stabilnie i wszelka aktywność ustanie. Galaktyki połączą się, a następnie stopniowo umrą. Jeśli wręcz przeciwnie, ilość ciemnej energii będzie rosła, Wszechświat będzie kontynuował swoją ekspansję z coraz większą prędkością, aby eksplodować we wszystkich skalach: cała materia, z której się składa (w tym atomy ), zostanie rozerwana przez rozszerzanie się przestrzeni. sam czas zostanie zniszczony. To jest Wielkie Rozdarcie (dosłownie: „wielkie złamane serce”). Niektóre modele przewidują taki koniec za 22 miliardy lat.
Każdy z tych scenariuszy zależy zatem od tego, ile ciemnej energii we Wszechświecie będzie zawierało w danym momencie. Obecnie stan wiedzy sugeruje nie tylko, że nie ma wystarczającej masy i energii, aby spowodować to Wielkie Rozdarcie , ale że ekspansja Wszechświata wydaje się przyspieszać i dlatego będzie trwać w nieskończoność.
