Big Bang
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La th??orie du Big Bang est la dominante cosmologique mod??le qui d??crit le d??veloppement pr??coce de l' Univers . Selon la th??orie, le Big Bang se est produit il ya environ 13,77 milliards ann??es, qui est ainsi consid??r?? comme le ??ge de l'univers . Apr??s ce temps, l'Univers ??tait dans un ??tat extr??mement chaud et dense et a commenc?? en pleine expansion. Apr??s l'expansion initiale, l'Univers refroidi suffisamment pour permettre ?? l'??nergie d'??tre convertis en divers particules subatomiques, y compris les protons , neutrons et ??lectrons . Bien que les noyaux atomiques simples pourraient avoir form?? rapidement, des milliers d'ann??es ont ??t?? n??cessaires avant l'apparition des premiers atomes ??lectriquement neutres. Le premier ??l??ment est produite hydrog??ne , avec des traces d' h??lium et de lithium . Nuages g??ants de ces ??l??ments primordiaux tard ont fusionn?? par gravit?? pour former ??toiles et galaxies , et les ??l??ments les plus lourds ont ??t?? synth??tis??s soit dans les ??toiles ou lors de supernovae.
Le Big Bang est un bien test?? la th??orie scientifique et est largement accept??e dans la communaut?? scientifique. Il offre une explication compl??te pour un large ??ventail de ph??nom??nes observ??s, y compris le l'abondance des ??l??ments l??gers, le fond diffus cosmologique , structure ?? grande ??chelle , et le diagramme de Hubble pour Supernovae de type Ia. Les id??es de base de la Big Bang-l'expansion, l'??tat d??but chaud, la formation de l'h??lium, et la formation de galaxies sont d??riv??es de ces observations et d'autres qui sont ind??pendants de tout mod??le cosmologique. Comme la distance entre les amas de galaxies est en hausse aujourd'hui, il est d??duit que tout ??tait plus ??troitement dans le pass??. Cette id??e a ??t?? examin?? en d??tail dans le temps pour extr??mes densit??s et temp??ratures , et une grande acc??l??rateurs de particules ont ??t?? construits pour exp??rimenter dans de telles conditions, ce qui entra??ne la poursuite du d??veloppement du mod??le. D'autre part, ces acc??l??rateurs ont des capacit??s limit??es ?? sonder ces r??gimes ??lev??s de l'??nergie . Il ya peu de preuves concernant absolue le premier instant de l'expansion. Ainsi, la th??orie du Big Bang ne peut pas et ne fournit pas d'explication pour une telle condition initiale; plut??t, il d??crit et explique l'??volution g??n??rale de l'univers aller de l'avant ?? partir de l??.
Georges Lema??tre abord propos?? ce qui est devenu la th??orie du Big Bang dans ce qu'il appelle son ??hypoth??se de l'atome primitif??. Au fil du temps, les scientifiques construits sur ses id??es initiales pour former la synth??se moderne. Le cadre pour le mod??le Big Bang repose sur Albert Einstein de la relativit?? g??n??rale et sur des hypoth??ses simplificatrices tels que homog??n??it?? et isotropie de l'espace. Les ??quations r??gissant avaient ??t?? formul??es par Alexander Friedmann. En 1929, Edwin Hubble a d??couvert que les distances de loin galaxies ??taient g??n??ralement proportionnelle ?? leurs d??calages vers le rouge id??e -une origine propos??es par Lema??tre en 1927. observation de Hubble a ??t?? prise pour indiquer que toutes les galaxies et des amas tr??s ??loign??s ont une vitesse apparente directement loin de notre point de vue: le plus loin, plus la vitesse apparente.
Alors que la communaut?? scientifique a ??t?? une fois divis?? entre les partisans du Big Bang et ceux de la Th??orie de l'??tat stationnaire, la plupart des scientifiques sont devenus convaincus que certaines version du sc??nario du Big Bang meilleures observations en forme apr??s la d??couverte du rayonnement cosmique micro-ondes de fond en 1964, et en particulier lorsque son spectre (ce est ?? dire, la quantit?? de rayonnement mesur??e ?? chaque longueur d'onde) a ??t?? trouv?? pour correspondre ?? celle du rayonnement thermique d'un corps noir. Depuis lors, les astrophysiciens ont int??gr?? un large ??ventail d'ajouts d'observation et th??oriques dans le mod??le du Big Bang, et son comme le param??trage Mod??le Lambda-CDM sert de cadre pour les enqu??tes en cours de la cosmologie th??orique.
Vue d'ensemble
Chronologie du Big Bang
 | Un calendrier graphique est disponible au Chronologie graphique du Big Bang |
L'extrapolation de l'expansion de l'univers en arri??re dans le temps en utilisant la relativit?? g??n??rale infini donne une densit?? et la temp??rature ?? un temps fini dans le pass??. Cette singularit?? signale la rupture de la relativit?? g??n??rale. Dans quelle mesure nous pouvons extrapoler vers la singularit?? est d??battue-certainement pas plus proche que la fin de la Planck ??poque. Cette singularit?? est parfois appel??e ??Big Bang??, mais le terme peut ??galement se r??f??rer ?? chaud, phase dense d??but elle-m??me, qui peut ??tre consid??r?? comme la ??naissance?? de notre Univers. D'apr??s les mesures de l'expansion ?? l'aide de Supernovae de type Ia, des mesures de fluctuations de temp??rature dans le fond diffus cosmologique , et les mesures de la fonction de corr??lation des galaxies, l'Univers a un ??ge calcul?? de 13,772 ?? 0,059 milliards ann??es. L'accord de ces trois mesures ind??pendantes soutient fermement la ΛCDM mod??le qui d??crit en d??tail le contenu de l'Univers.
Les premi??res phases de la Big Bang sont soumis ?? beaucoup de sp??culations. Dans les mod??les les plus courants de l'Univers a ??t?? rempli de fa??on homog??ne et isotrope avec un niveau incroyablement ??lev?? densit?? d'??nergie et d'??normes temp??ratures et pressions et a ??t?? tr??s rapidement l'expansion et le refroidissement. Environ 10 -37 secondes dans l'expansion, un transition de phase provoqu?? une inflation cosmique , au cours de laquelle l'univers a augment?? de fa??on exponentielle . Apr??s l'inflation arr??t??, l'Univers consistait en un plasma quark-gluon, ainsi que tous les autres particules ??l??mentaires. Les temp??ratures ont ??t?? si ??lev?? que les mouvements al??atoires de particules ??taient ?? relativiste vitesses, et paires particule-antiparticule de toutes sortes ont ??t?? continuellement cr????s et d??truits dans des collisions. ?? un certain point une r??action inconnue appel?? baryog??n??se viol?? la conservation de la nombre baryonique, conduisant ?? un tr??s petit exc??s de quarks et leptons plus antiquarks et antileptons-de l'ordre d'une part ?? 30 millions. Cela a abouti ?? la pr??dominance de la mati??re sur antimati??re dans l'univers actuel.
Champ extr??mement profond de Hubble (XDF)
L'Univers a continu?? ?? diminuer la densit?? et de chute de la temp??rature, donc l'??nergie typique de chaque particule a diminu??. Brisure de sym??trie des transitions de phase mettre le forces fondamentales de la physique et les param??tres de particules ??l??mentaires dans leur forme actuelle. Apr??s environ 10 -11 secondes, l'image devient moins sp??culatif, puisque ??nergies des particules tombent ?? des valeurs qui peuvent ??tre atteintes dans la physique des particules exp??riences. ?? environ 10 -6 secondes, les quarks et les gluons combin??s pour former baryons comme les protons et les neutrons. Le petit exc??s de quarks antiquarks plus conduit ?? un petit exc??s de baryons plus antibaryons. La temp??rature ne ??tait plus suffisamment ??lev?? pour cr??er de nouvelles paires proton-antiproton (m??me pour neutrons-antineutrons), donc une annihilation de masse imm??diatement suivi, laissant seulement un sur 10 des 10 protons et les neutrons d'origine, et aucun de leurs antiparticules. Un processus similaire se est produit ?? environ 1 seconde pour les ??lectrons et les positrons. Apr??s ces an??antissements, les protons restants, neutrons et ??lectrons ne ??taient plus le d??placement relativiste et la densit?? d'??nergie de l'Univers a ??t?? domin??e par des photons (avec une contribution mineure de neutrinos).
Quelques minutes apr??s l'expansion, lorsque la temp??rature ??tait environ un milliard (mille millions; 10 9; pr??fixe SI giga) kelvin et la densit?? ??tait d'environ celle de l'air, les neutrons combin??s avec des protons pour former de l'Univers deut??rium et l'h??lium noyaux dans un processus appel?? Nucl??osynth??se Big Bang. La plupart des protons sont rest??s non combin??e comme hydrog??ne noyaux. Comme refroidi l'Univers, le reposer la densit?? d'??nergie massique de la mati??re est venu ?? gravitationnellement dominer celle du photon rayonnement . Apr??s environ 379000 ann??es les ??lectrons et les noyaux combin??s en atomes (principalement l'hydrog??ne ); d'o?? le rayonnement d??coupl?? de la mati??re et a continu?? ?? travers l'espace largement sans entrave. Ce rayonnement fossile est connu comme le rayonnement cosmique de fond .
Sur une longue p??riode de temps, les r??gions l??g??rement plus denses de la mati??re ?? proximit?? question gravitationnellement attir?? pr??s uniform??ment r??partie et donc ont augment?? encore plus dense, formant des nuages de gaz, ??toiles , galaxies, et les autres structures astronomiques observables aujourd'hui. Les d??tails de ce processus d??pend de la quantit?? et le type de mati??re dans l'Univers. Les quatre types possibles de la mati??re sont connus comme mati??re noire froide, mati??re noire chaude, mati??re noire chaude et mati??re baryonique. Les meilleures mesures disponibles (?? partir WMAP) montrent que les donn??es sont bien en forme par un Mod??le Lambda-CDM dans lequel la mati??re noire est suppos?? ??tre froide ( la mati??re noire chaude est exclu au d??but r??ionisation), et est estim?? ?? repr??senter environ 23% de la mati??re / ??nergie de l'univers, tandis que la mati??re baryonique repr??sente environ 4,6%. Dans un ??mod??le ??tendu", qui comprend la mati??re noire chaude sous la forme de neutrinos, alors si la "densit?? baryonique physique?? Ω b h 2 est estim?? ?? environ 0,023 (ce qui est diff??rent de la ??densit?? baryonique" Ω b exprim??e comme une fraction de la densit?? de mati??re / ??nergie totale, qui, comme indiqu?? ci-dessus est d'environ 0,046 ), et le correspondant sombre et froide Ω de densit?? de mati??re c h 2 est d'environ 0,11, la densit?? de neutrinos Ω v h correspondante 2 est estim?? ?? moins de 0,0062.
Lignes ind??pendantes de preuve de Supernovae de type Ia et de la CMB implique que l'Univers est aujourd'hui domin?? par une forme myst??rieuse d'??nergie connue sous le nom l'??nergie sombre, qui impr??gne apparemment tout l'espace. Les observations sugg??rent 73% de la densit?? d'??nergie totale de l'Univers d'aujourd'hui est sous cette forme. Lorsque l'Univers ??tait tr??s jeune, il a probablement ??t?? infus?? avec l'??nergie sombre, mais avec moins d'espace et tout rapprochement, la gravit?? avait la haute main, et il a ??t?? lentement freine l'expansion. Mais finalement, apr??s de nombreux milliards d'ann??es d'expansion, l'abondance croissante de l'??nergie sombre a amen?? l' expansion de l'Univers pour commencer lentement ?? se acc??l??rer. L'??nergie sombre dans sa formulation la plus simple prend la forme de la terme constante cosmologique dans Les ??quations de champ d'Einstein de la relativit?? g??n??rale, mais sa composition et le m??canisme sont inconnus et, plus g??n??ralement, les d??tails de son ??quation d'??tat et la relation avec le mod??le standard de la physique des particules continuer ?? ??tudier ?? la fois les observations, et th??oriquement.
Tout cela l'??volution cosmique apr??s la ??poque inflationniste peut ??tre d??crit avec rigueur et mod??lis?? par la ΛCDM mod??le de la cosmologie, qui utilise les cadres ind??pendants de la m??canique quantique et la relativit?? g??n??rale d'Einstein. Comme indiqu?? plus haut, il n'y a pas de mod??le bien support?? d??crivant l'action avant 10 ?? 15 secondes. Apparemment, une nouvelle th??orie unifi??e de gravitation quantique est n??cessaire pour briser cette barri??re. La compr??hension de cette premi??re des ??poques dans l'histoire de l'Univers est actuellement l'un des plus grand probl??mes non r??solus de la physique.
Hypoth??ses sous-jacentes
La th??orie du Big Bang repose sur deux grandes hypoth??ses: l'universalit?? de lois physiques et la principe cosmologique. Le principe cosmologique indique que sur de grandes ??chelles de l'Univers est homog??ne et isotrope.
Ces id??es ont ??t?? initialement pris comme postulats, mais aujourd'hui, il ya des efforts pour tester chacun d'eux. Par exemple, la premi??re hypoth??se a ??t?? test??e par des observations montrant que le plus grand ??cart possible de la bien constante de la structure sur une grande partie de l' ??ge de l'univers est de l'ordre de 10 -5. En outre, la relativit?? g??n??rale a pass?? strictes des tests ?? l'??chelle du syst??me solaire et les ??toiles binaires.
Si la grande ??chelle Univers appara??t isotrope vue depuis la Terre, le principe cosmologique peut ??tre d??duite de la simple Principe de Copernic, qui affirme qu'il n'y a pas d'observateur ou de Vantage Point pr??f??r?? (ou sp??cial). A cette fin, le principe cosmologique a ??t?? confirm??e ?? un niveau de 10 -5 via observations du CMB. L'Univers a ??t?? mesur??e pour ??tre homog??ne sur les plus grandes ??chelles au niveau de 10%.
FLRW m??trique
La relativit?? g??n??rale d??crit par un espace-temps m??trique, qui d??termine les distances qui s??parent les points voisins. Les points, qui peut ??tre galaxies, des ??toiles ou d'autres objets, se sont sp??cifi??es ?? l'aide d'un coordonner graphique ou "grille" qui est pr??vue sur l'ensemble l'espace-temps. Le principe cosmologique implique que la m??trique devrait ??tre homog??ne et isotrope sur de grandes ??chelles, qui distingue de mani??re unique sur le Friedmann-Lema??tre-Robertson-Walker m??trique (FLRW m??trique). Cette mesure contient une facteur d'??chelle, qui d??crit comment la taille de l'univers change avec le temps. Cela permet un choix pratique d'un syst??me de coordonn??es ?? r??aliser, appel?? comobiles coordonn??es. Dans ce syst??me de coordonn??es de la grille se ??tend le long de l'univers, et des objets qui se d??placent uniquement en raison de l'expansion de l'univers restent ?? des points fixes sur la grille. Bien que leur distance de coordonn??es ( la distance comobile) reste constante, la distance entre deux de ces points augmente proportionnellement avec Comoving la facteur d'??chelle de l'Univers.
Le Big Bang ne est pas une explosion de la mati??re se d??pla??ant vers l'ext??rieur pour combler un univers vide. Au lieu de cela, l'espace se ??largit avec le temps partout et augmente la distance physique entre deux points Comoving. Parce que le FLRW m??trique suppose une distribution uniforme de la masse et de l'??nergie, il se applique ?? notre Univers que sur de grandes ??chelles locales concentrations de mati??res telles que notre galaxie sont gravitationnellement li??s et en tant que telle ne ??prouvent l'expansion ?? grande ??chelle de l'espace.
Horizons
Une caract??ristique importante de l'espace-temps du Big Bang est la pr??sence d' horizons . Depuis l'Univers a un ??ge fini, et la lumi??re se d??place ?? une vitesse finie, il peut y avoir des ??v??nements du pass?? dont la lumi??re n'a pas eu le temps de nous rejoindre. Cela place une limite ou un horizon pass?? sur les objets les plus ??loign??s qui peuvent ??tre observ??es. Inversement, parce que l'espace est en expansion, et les objets plus ??loign??s sont en recul de plus en plus rapidement, la lumi??re ??mise par nous aujourd'hui ne peut jamais ??rattraper?? les objets ?? tr??s ??loign??es. Ceci d??finit un horizon futur, ce qui limite les ??v??nements dans le futur que nous serons en mesure d'influencer. La pr??sence ou l'autre type de l'horizon d??pend des d??tails du mod??le FLRW qui d??crit notre Univers. Notre compr??hension de l'Univers retour ?? des temps tr??s anciens sugg??re qu'il ya un horizon pass??, bien que dans la pratique de notre point de vue est ??galement limit??e par l'opacit?? de l'Univers ?? des temps pr??coces. Donc, notre point de vue ne peut pas ??tendre vers l'arri??re dans le temps, si l'horizon se ??loigne dans l'espace. Si l'expansion de l'univers continue ?? acc??l??rer, il ya un horizon avenir.
Histoire
??tymologie
Fred Hoyle est cr??dit?? d'inventer le terme Big Bang 1949 lors d'une ??mission de radio. Il est populairement rapport?? que Hoyle, qui ont favoris?? une alternative " l'??tat d'??quilibre "de mod??le cosmologique, destin?? cela soit p??joratif, mais Hoyle explicitement ni?? cela et dit que ce ??tait juste une image saisissante destin?? ?? mettre en ??vidence la diff??rence entre les deux mod??les.
D??veloppement
La th??orie du Big Bang d??velopp?? ?? partir d'observations de la structure de l'Univers et de consid??rations th??oriques. En 1912, Vesto Slipher mesur??e la premi??re Doppler d'un " n??buleuse spirale ??(n??buleuse spirale est le terme obsol??te pour les galaxies spirales), et d??couvre rapidement que presque toutes ces n??buleuses reculaient de la Terre. Il n'a pas saisi les implications cosmologiques de ce fait, et m??me au moment o?? il ??tait tr??s controvers??e ou non ces n??buleuses ??taient des ??univers-??les" en dehors de notre Voie Lact??e . Dix ans plus tard, Alexander Friedmann, un russe cosmologue et math??maticien , d??riv?? les ??quations de Friedmann de Les ??quations d'Einstein de la relativit?? g??n??rale, qui montrent que l'Univers pourrait ??tre en expansion, contrairement ?? la mod??le statique Univers pr??conis??e par Einstein ?? l'??poque. En 1924, la mesure d'Edwin Hubble de la grande distance aux n??buleuses en spirale la plus proche a montr?? que ces syst??mes ??taient en effet d'autres galaxies. Ind??pendamment d??river les ??quations de Friedmann en 1927, Georges Lema??tre, physicien belge et catholique romaine pr??tre, a propos?? que la r??cession pr??sum??es des n??buleuses est due ?? l'expansion de l'Univers.
En 1931 Lema??tre est all?? plus loin et a sugg??r?? que l'expansion ??vidente de l'univers, si les projections dans le temps, signifiait que le plus loin dans le pass??, le plus petit de l'univers ??tait, jusqu'?? un certain temps fini dans le pass?? toute la masse de l'Univers a ??t?? concentr?? en un seul point, un ??atome primitif" o?? et quand le tissu du temps et de l'espace est entr?? en existence.
?? partir de 1924, Hubble soigneusement d??velopp?? une s??rie d'indicateurs de distance, le pr??curseur de la Mesure des distances en astronomie, en utilisant le 100-pouces (2500 mm) t??lescope Hooker Observatoire du Mont Wilson. Cela lui a permis d'estimer les distances de galaxies dont les d??calages vers le rouge avait d??j?? ??t?? mesur??e, principalement par Slipher. En 1929, Hubble a d??couvert une corr??lation entre la distance et la vitesse-r??cession maintenant connu comme la loi de Hubble . Lema??tre avait d??j?? montr?? que ce ??tait pr??vu, compte tenu de la Principe cosmologique.
Dans les ann??es 1920 et 1930, presque tous les grands cosmologiste pr??f??r?? un ??ternel l'??tat d'??quilibre Univers, et plusieurs se sont plaints que le d??but des temps implicite par le Big Bang import?? concepts religieux en physique; cette objection a ??t?? reprise plus tard par des partisans du la th??orie ?? l'??tat stable. Cette perception a ??t?? renforc??e par le fait que l'auteur de la th??orie du Big Bang, Monseigneur Georges Lema??tre, ??tait un pr??tre catholique. Arthur Eddington accord avec Aristote que l'univers n'a pas de commencement dans le temps, ?? savoir., que la mati??re est ??ternelle. Un commencement dans le temps ??tait "incompatible" avec lui. Lema??tre, cependant, penser que
Si le monde a commenc?? avec un seul quantique , les notions d'espace et de temps seraient tout ?? fait ne pas avoir un sens au d??but; ils ne commencera ?? avoir un sens raisonnable lorsque le quantum d'origine avait ??t?? divis??e en un nombre suffisant de quanta. Si cette suggestion est correcte, le commencement du monde est arriv?? un peu avant le d??but de l'espace et du temps.
Pendant les ann??es 1930, d'autres id??es ont ??t?? propos??es comme cosmologies non standard pour expliquer les observations de Hubble, y compris le Mod??le Milne, Univers oscillant (initialement sugg??r??e par Friedmann, mais pr??conis??e par Albert Einstein et Richard Tolman) et Fritz Zwicky de hypoth??se la lumi??re fatigu??.
Apr??s la Seconde Guerre mondiale , deux possibilit??s distinctes ont ??merg??. L'un ??tait Fred Hoyle de mod??le de l'??tat d'??quilibre, laquelle nouvelle question serait cr???? l'Univers semblait se ??tendre. Dans ce mod??le, l'Univers est ?? peu pr??s le m??me ?? ne importe quel point dans le temps. L'autre ??tait la th??orie du Big Bang de Lema??tre, pr??conis?? et d??velopp?? par George Gamow, qui a pr??sent?? big bang nucl??osynth??se (BBN) et dont les associ??s, Ralph Alpher et Robert Herman, a pr??dit le fond diffus cosmologique rayonnement (CMB). Ironiquement, ce est Hoyle qui a invent?? l'expression qui est venu ?? ??tre appliqu?? ?? la th??orie de Lema??tre, se r??f??rant ?? lui comme "cette grande id??e bang" au cours d'une BBC Radio diffus??e en Mars 1949. Pour un certain temps, un soutien a ??t?? divis??e entre ces deux th??ories. Finalement, la preuve d'observation, notamment de la radio nombre de sources, ont commenc?? ?? favoriser Big Bang sur l'??tat d'??quilibre. La d??couverte et la confirmation du fond diffus cosmologique rayonnement fix??s en 1964 le Big Bang comme la meilleure th??orie de l'origine et de l'??volution du cosmos. Une grande partie des travaux en cours dans la cosmologie comprend comprendre comment les galaxies se forment dans le contexte de la Big Bang, la compr??hension de la physique de l'Univers ?? plus en plus t??t fois, et concilier observations avec la th??orie de base.
Des progr??s significatifs dans cosmologie du Big Bang ont ??t?? accomplis depuis la fin des ann??es 1990 en raison des progr??s de la lunette de la technologie ainsi que l'analyse des donn??es des satellites tels que COBE, le t??lescope spatial Hubble et WMAP. Les cosmologistes ont maintenant des mesures assez pr??cises et exactes de la plupart des param??tres du mod??le du Big Bang, et ont fait la d??couverte inattendue que l'expansion de l'Univers semble se acc??l??rer.
Les donn??es d'observation
"[L] a grande image bang est trop fermement ancr??e dans les donn??es de chaque zone ?? ??tre prouv?? non valide dans ses caract??ristiques g??n??rales."
Les types de donn??es d'observation les plus anciens et les plus directs sont l' expansion de Hubble type vu dans les d??calages vers le rouge des galaxies, les mesures d??taill??es du fond diffus cosmologique , les abondances relatives des ??l??ments lumineux produits par Big Bang nucl??osynth??se, et aujourd'hui aussi la grande distribution et apparente l'??volution des galaxies pr??vu pour se produire en raison de la croissance de gravitation de la structure dans la th??orie standard. Ceux-ci sont parfois appel??s ??les quatre piliers de la th??orie du Big Bang".
Mod??les modernes pr??cises de la Big Bang appel ?? divers ph??nom??nes physiques exotiques qui ne ont pas ??t?? observ??s dans des exp??riences de laboratoire terrestres ou incorpor??es dans le mod??le standard de la physique des particules . Parmi ces caract??ristiques, la mati??re noire est actuellement soumis ?? des enqu??tes de laboratoire les plus actifs. Questions en suspens comprennent le Probl??me de concentration du halo et la probl??me de la galaxie naine mati??re noire froide. L'??nergie sombre est aussi un domaine d'int??r??t intense pour les scientifiques, mais il ne est pas clair si la d??tection directe de l'??nergie sombre sera possible. L'inflation et baryog??n??se restent caract??ristiques les plus sp??culatives des mod??les actuels Big Bang. , Des explications quantitatives viables pour de tels ph??nom??nes sont toujours recherch??s. Ce sont actuellement probl??mes non r??solus de la physique.
La loi de Hubble et l'expansion de l'espace
Observations de galaxies lointaines et quasars montrent que ces objets sont d??cal??es vers le rouge -la lumi??re ??mise par les a ??t?? d??plac?? vers des longueurs d'onde. Ceci peut ??tre vu en proc??dant ?? un spectre de fr??quence d'un objet et correspondant ?? la spectroscopie de motif raies d'??mission ou raies d'absorption correspondant ?? des atomes des ??l??ments chimiques qui interagissent avec la lumi??re. Ces d??calages vers le rouge sont uniform??ment isotrope, r??partie uniform??ment entre les objets observ??s dans toutes les directions. Si le d??calage vers le rouge est interpr??t?? comme un Doppler, le d??crue vitesse de l'objet peut ??tre calcul??e. Pour certaines galaxies, il est possible d'estimer les distances par l'interm??diaire du Mesure des distances en astronomie. Lorsque les vitesses de r??cession sont trac??es contre ces distances, une relation lin??aire connue comme la loi de Hubble est observ??e:
- v = H 0 D,
o??
- v est la d??crue vitesse de la galaxie ou un autre objet lointain,
- D est le comobiles distance ?? l'objet, et
- H 0 est la constante de Hubble , mesur??e ?? 70,4 1,3
-1,4 km / s / Mpc par la Sonde WMAP.
La loi de Hubble a deux explications possibles. Soit nous sommes au centre d'une explosion de galaxies qui est intenable donn?? la Copernicienne principe ou l'Univers est ??tendre uniform??ment partout. Cette expansion universelle a ??t?? pr??dite ?? partir de la relativit?? g??n??rale par Alexander Friedmann en 1922 et Georges Lema??tre en 1927, bien avant Hubble a fait son analyse 1929 et observations, et il reste la pierre angulaire de la th??orie du Big Bang tel que d??velopp?? par Friedmann, Lema??tre, Robertson et Walker.
La th??orie n??cessite la relation v = HD ?? maintenir en tout temps, o?? D est la comobiles la distance, v est la vitesse de r??cession, et v, H et D varient que les dilate Univers (d'o?? nous ??crivons H 0 pour d??signer l'actuelle Hubble "constant"). Pour des distances beaucoup plus petits que la taille de l' Univers observable , le redshift Hubble peut ??tre consid??r?? comme le d??calage Doppler correspondant ?? la vitesse de r??cession v. Cependant, le d??calage vers le rouge ne est pas un vrai d??calage Doppler, mais plut??t le r??sultat de l'expansion de l'univers entre le moment o?? la lumi??re a ??t?? ??mise et le moment o?? il a ??t?? d??tect??.
Que espace est en expansion m??trique est indiqu?? par des donn??es d'observation directe de la Principe cosmologique et le principe de Copernic, qui, avec la loi de Hubble ont pas d'autre explication. Astronomiques d??calages vers le rouge sont extr??mement et isotrope homog??ne, en soutenant le principe cosmologique que l'Univers semble le m??me dans toutes les directions, avec beaucoup d'autres ??l??ments de preuve. Si les d??calages vers le rouge ont ??t?? le r??sultat d'une explosion dans un centre ??loign?? de nous, ils ne seraient pas si semblables dans des directions diff??rentes.
Les mesures des effets de la micro-ondes rayonnement cosmique de fond sur la dynamique des syst??mes astrophysiques lointains en 2000 ont prouv?? le principe de Copernic, que, sur une ??chelle cosmologique, la Terre ne est pas dans une position centrale. Rayonnement du Big Bang ne ??tait manifestement plus chaud parfois ant??rieures ?? travers l'Univers. Refroidissement uniforme du fond cosmique micro-ondes sur des milliards d'ann??es est explicable que si l'Univers conna??t une expansion m??trique, et exclut la possibilit?? que nous sommes pr??s du centre unique d'une explosion.
Fond diffus cosmologique rayonnement
En 1964, Arno Penzias et Robert Wilson par hasard d??couvert le rayonnement cosmique de fond, un signal omnidirectionnel dans le bande de micro-ondes. Leur d??couverte a fourni la confirmation substantielle des pr??visions g??n??rales CMB: le rayonnement a ??t?? jug??e compatible avec un presque parfait spectre du corps noir dans toutes les directions; ce spectre a ??t?? d??cal??e vers le rouge par l'expansion de l'univers, et aujourd'hui correspond ?? environ 2,725 K. Ce fait pencher la balance de la preuve en faveur du mod??le du Big Bang, et Penzias et Wilson ont obtenu un Prix Nobel en 1978.
La surface de derni??re diffusion correspondant ?? l'??mission du CMB se produit peu de temps apr??s recombinaison, l'??poque o?? l'hydrog??ne neutre devient stable. Avant cela, l'univers compos?? dense photons-baryons plasma mer chaude o?? les photons ont ??t?? rapidement diffus??e par les particules charg??es libres. Culminant ?? environ 372 ?? 14 ka, le libre parcours moyen pour un photon devient assez long pour atteindre nos jours et l'univers devient transparent.
En 1989, la NASA a lanc?? le Cosmic Background Explorer satellite (COBE). Ses r??sultats ??taient coh??rents avec les pr??dictions concernant la CMB, de trouver une temp??rature r??siduelle de 2,726 K (mesures plus r??centes ont r??vis?? ce chiffre en l??g??re baisse ?? 2,725 K) et de fournir la premi??re preuve de fluctuations (anisotropies) dans le CMB, ?? un niveau d'environ une partie sur 10 5. John C. Mather et George Smoot ont re??u le prix Nobel pour leur leadership dans ce travail. Au cours de la d??cennie suivante, anisotropies du CMB ont encore ??t?? ??tudi??s par un grand nombre d'exp??riences au sol et de ballons. En 2000-2001 plusieurs exp??riences, notamment BOOMERanG, trouv?? le forme de l'Univers pour ??tre spatialement presque plat en mesurant la taille angulaire typique (de la taille sur le ciel) des anisotropies.
Au d??but de 2003 les premiers r??sultats de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ont ??t?? lib??r??s, ce qui donne ce ??tait au moment des valeurs les plus pr??cises pour certains des param??tres cosmologiques. Les r??sultats sp??cifiques r??fut??es plusieurs inflation cosmiques mod??les, mais sont compatibles avec la th??orie de l'inflation en g??n??ral. Le Sonde spatiale Planck a ??t?? lanc?? en mai 2009. Autres au sol et le ballon micro-ondes cosmiques exp??riences de fond sont en cours.
Abondance des ??l??ments primordiaux
En utilisant le mod??le Big Bang il est possible de calculer la concentration de h??lium-4, h??lium-3, deut??rium, et lithium-7 dans l'Univers sous forme de rapports ?? la quantit?? d'hydrog??ne ordinaire. Les abondances relatives d??pendent d'un seul param??tre, le rapport des photons ?? baryons. Cette valeur peut ??tre calcul??e ind??pendamment de la structure d??taill??e de CMB fluctuations. Les ratios pr??vus (en masse, pas en nombre) sont environ 0,25 pour 4 Il / H, environ 10 -3 pour 2 H / H, environ 10 -4 pour 3 He / H et environ 10 -9 pour 7 Li / H.
Les abondances mesur??es conviennent tout au moins ?? peu pr??s avec ceux pr??dits ?? partir d'une seule valeur du rapport baryon-??-photon. L'accord est excellent pour le deut??rium, proche mais formellement discordants pour 4 Il, et d??sactiv?? par un facteur de deux 7 Li; dans ces deux derniers cas, il existe substantielle incertitudes syst??matiques. N??anmoins, la coh??rence g??n??rale avec abondances pr??dites par Big Bang nucl??osynth??se existe des preuves solides pour le Big Bang, la th??orie est la seule explication connue pour l'abondance relative d'??l??ments l??gers, et il est pratiquement impossible de "tune" le Big Bang pour produire plus ou moins de 20 ?? 30% d'h??lium. En effet il n'y a pas de raison ??vidente ?? l'ext??rieur du Big Bang qui, par exemple, le jeune Univers (ce est ?? dire, avant la formation des ??toiles, tel que d??termin?? par l'??tude de la mati??re soi-disant libre produits de la nucl??osynth??se stellaire) devraient avoir plus d'h??lium que le deut??rium ou plusieurs de deut??rium que 3 He, et des rapports constants, aussi.
??volution et la r??partition Galactic
Des observations d??taill??es de la morphologie et la distribution des galaxies et quasars sont en accord avec l'??tat actuel de la th??orie du Big Bang. Une combinaison d'observations et la th??orie sugg??rent que les premiers quasars et galaxies se sont form??es autour d'un milliard d'ann??es apr??s le Big Bang, et puisque les structures plus grandes, puis ont form??, comme les amas de galaxies et superamas. Les populations d'??toiles ont ??t?? vieillissent et ??volution, de sorte que les galaxies lointaines (qui sont observ??s comme ils ??taient dans l'Univers) apparaissent tr??s diff??rente de galaxies proches (observ??s dans un ??tat plus r??cente). En outre, les galaxies qui se sont form??es relativement r??cemment apparaissent nettement diff??rente de galaxies form??es ?? des distances similaires, mais peu de temps apr??s le Big Bang. Ces observations sont de solides arguments contre le mod??le ??tat stationnaire. Observations de la formation des ??toiles, galaxies et quasars distributions et de plus grandes structures sont en bon accord avec les simulations Big Bang de la formation des structures de l'Univers et contribuent ?? remplir les d??tails de la th??orie.
Nuages de gaz primordial
En 2011 les astronomes ont trouv?? ce qu'ils croient ??tre des nuages de gaz primordial immacul??es, en analysant les raies d'absorption dans les spectres des quasars lointains. Avant cette d??couverte, tous les autres objets astronomiques ont ??t?? observ??s pour contenir les ??l??ments lourds qui se forment dans les ??toiles. Ces deux nuages de gaz contiennent pas d'??l??ments plus lourds que l'hydrog??ne et le deut??rium. Depuis les nuages ??????de gaz ont pas d'éléments lourds, ils probablement formé dans les premières minutes après le Big Bang, au cours Nucl??osynth??se Big Bang. Leur composition correspond à la composition prévue à partir de Big Bang nucléosynthèse. Cela fournit une preuve directe qu'il y avait une période de l'histoire de l'univers, avant la formation des premières étoiles, quand la matière la plus ordinaire existait sous la forme de nuages ??????d'hydrogène neutre.
Autres sources de données
L'âge de l'Univers selon les estimations de l'expansion de Hubble et de laCMBest maintenant en bon accord avec les autres estimations en utilisant l'âge des plus vieilles étoiles, tels que mesurés par l'application de la théorie del'évolution stellaire àamas globulaireset parla datation radiométrique de l'individuPopulation II étoiles.
La prédiction que la température CMB était plus élevé dans le passé a été expérimentalement soutenue par des observations de lignes à très faible absorption de la température dans les nuages ??????de gaz à haute redshift. Cette prévision implique également que l'amplitude de l' effet Sunyaev-Zel'dovich dans les amas de galaxies ne dépend pas directement du redshift. Les observations ont trouvé ceci pour être à peu près vrai, mais cet effet dépend de propriétés du cluster qui ne changent avec le temps cosmique, faisant des mesures précises difficile.
Les questions liées à la physique
Baryon asymétrie
Il n'a pas encore compris pourquoi l'Univers a plus question que antimati??re. Il est généralement admis que lorsque l'Univers était jeune et très chaud, il était en équilibre statistique et contenait un nombre égal de baryons et antibaryons. Cependant, les observations suggèrent que l'Univers, y compris ses parties les plus éloignées, est presque entièrement de matière. Un processus appelé baryogénèse a émis l'hypothèse pour expliquer l'asymétrie. Pour baryogénèse de se produire, les conditions doivent être remplies Sakharov. Ceux-ci exigent que nombre baryonique ne se conserve pas, que C-symétrie et CP-symétrie sont violés et que l'Univers partent de l'équilibre thermodynamique. Toutes ces conditions se produisent dans le modèle standard , mais l'effet est pas assez fort pour expliquer le présent baryon asymétrie.
L'énergie sombre
Les mesures de la redshift - relation de grandeur pour supernovae de type Ia indiquent que l'expansion de l'Univers a été accélérée depuis l'Univers était environ la moitié de son âge actuel. Pour expliquer cette accélération, la relativité générale exige que la majeure partie de l'énergie dans l'Univers est constitué d'un composant avec une grande pression négative, surnommé " l'énergie sombre ". L'énergie sombre, bien que spéculative, résout de nombreux problèmes. Les mesures de la fond diffus cosmologique indiquent que l'Univers est très près de l'espace plat, et donc en fonction de la relativité générale l'Univers doit avoir presque exactement la densité critique de la masse / énergie. Mais la densité de masse de l'univers peut être mesurée à partir de sa classification de gravitation, et se révèle avoir seulement environ 30% de la densité critique. Depuis théorie suggère que l'énergie noire ne grappe pas de la manière habituelle, il est la meilleure explication de la densité d'énergie "manquantes". L'énergie sombre contribue aussi à expliquer deux mesures géométriques de la courbure globale de l'Univers, l'un utilisant la fréquence de lentilles gravitationnelles, et l'autre en utilisant le motif caractéristique de la structure à grande échelle comme un souverain cosmique.
La pression négative est considéré comme une propriété de l'énergie du vide, mais la nature exacte et l'existence de l'énergie sombre demeure l'un des grands mystères de la Big Bang. Les candidats possibles incluent une constante cosmologique et la quintessence. Les résultats de l'équipe WMAP en 2008 sont conformes à un univers qui se compose de 73% d'énergie sombre, 23% de la matière noire, 4,6% de matière régulière et moins de 1% de neutrinos. Selon la théorie, la densité d'énergie dans la matière diminue avec l'expansion de l'Univers, mais la densité de l'énergie sombre reste constante (ou presque) que l'Univers se dilate. Par conséquent la matière constitué une plus grande fraction de l'énergie totale de l'Univers dans le passé qu'elle ne le fait aujourd'hui, mais sa contribution fractionnée va tomber à l'avenir autant que l'énergie sombre devient encore plus dominante.
Matière noire
Pendant les années 1970 et 1980, diverses observations ont montré qu'il n'y a pas suffisamment de matière visible dans l'Univers pour tenir compte de la force apparente des forces gravitationnelles dans et entre les galaxies. Cela a conduit à l'idée que jusqu'à 90% de la matière dans l'Univers est la matière noire qui ne dégage pas de lumière ou interagir avec normale mati??re baryonique. En outre, l'hypothèse que l'Univers est principalement la matière normale conduit à des prédictions qui étaient fortement incompatible avec les observations. En particulier, l'Univers est aujourd'hui beaucoup plus grumeleuse et contient beaucoup moins de deutérium que peut être représenté sans matière noire. Alors que la matière noire a toujours été controversé, il est déduit par diverses observations: les anisotropies dans le CMB, dispersions de vitesse de amas de galaxies, les distributions de la structure à grande échelle, des études de lentilles gravitationnelles, et les mesures de rayons X des amas de galaxies.
La preuve indirecte de matière noire provient de son influence gravitationnelle sur d'autres matières, comme pas de particules de matière noire ont été observés dans les laboratoires. Beaucoup de physique des particules candidats pour la matière noire ont été proposés, et plusieurs projets de détecter entre eux sont directement en cours.
L'âge de l'amas globulaire
Au milieu des années 1990, des observations de amas globulaires semblent être en contradiction avec la théorie du Big Bang. Les simulations informatiques qui correspondent aux observations des stellaires populations des amas globulaires ont suggéré qu'ils étaient âgés d'environ 15 milliards d'années, ce qui en conflit avec l'âge 13,77 milliards l'année de l'Univers. Ce problème a été partiellement résolu à la fin des années 1990, lorsque de nouvelles simulations informatiques, qui comprenaient les effets de la perte de masse en raison de vents stellaires, a indiqué un âge beaucoup plus jeune pour les amas globulaires. Il reste quelques questions quant à la précision de l'âge des grappes sont mesurés, mais il est clair que les observations des amas globulaires apparaissent plus incompatible avec la théorie du Big Bang.
Problèmes
Il sont généralement considérés comme trois problèmes en suspens avec la théorie du Big Bang: le problème de l'horizon, le problème de la platitude et le problème de monopole magnétique. La réponse la plus commune à ces problèmes est la théorie inflationniste ; cependant, puisque cela crée de nouveaux problèmes, d'autres options ont été proposées, comme la courbure hypothèse Weyl.
Problème Horizon
Le problème de l'horizon résulte de la prémisse que l'information ne peut pas voyager plus vite que la lumière. Dans un univers de l'âge fini cela crée un-la limite horizon de particules -sur la séparation de deux des régions de l'espace qui sont en contact avec de causalité. L'isotropie observée de la CMB est problématique à cet égard: si l'Univers avait été dominé par le rayonnement ou la question à tout moment jusqu'à l'époque de la dernière diffusion, l'horizon de particules à l'époque correspondrait à environ 2 degrés sur le ciel. Il n'y aurait alors pas de mécanisme pour provoquer régions plus larges d'avoir la même température.
Une résolution de cette contradiction apparente est offert par la théorie inflationniste dans laquelle un champ d'énergie scalaire homogène et isotrope domine l'Univers à une période très tôt (avant baryogénèse). Au cours de l'inflation, l'Univers subit une expansion exponentielle, et l'horizon de particules augmente beaucoup plus rapidement que prévu précédemment, afin que les régions actuellement sur ??????les côtés opposés de l'Univers observable sont bien à l'intérieur de l'horizon de l'autre particule. L'isotropie observée de la CMB suit alors du fait que cette grande région était en contact causalité avant le début de l'inflation.
Le principe d'incertitude de Heisenberg prévoit que pendant la phase inflationniste y aurait fluctuations thermiques quantique, qui seraient amplifiés à l'échelle cosmique. Ces fluctuations servent les graines de toute la structure actuelle de l'Univers. L'inflation prédit que les fluctuations primordiales sont presque échelle invariant et gaussien , qui a été confirmé avec précision par des mesures de la CMB.
Si l'inflation a eu lieu, l'expansion exponentielle serait pousser les grandes régions de l'espace bien au-delà de notre horizon observable.
Problème planéité
Le problème de la platitude (aussi connu comme le problème vieillesse) est un problème d'observation associée à une métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. L'Univers peut avoir positif, négatif, ou zéro spatiale courbure en fonction de sa densité d'énergie totale. Courbure est négative si sa densité est inférieure à la densité critique, positive si grande, et zéro à la densité critique, dans ce cas, l'espace est dit être plat . Le problème est que toute petite départ de la densité critique augmente avec le temps, et pourtant l'Univers demeure aujourd'hui très proche de plat. Étant donné qu'un délai naturel pour départ de planéité pourrait être le temps de Planck, 10 -43 secondes, le fait que l'Univers a atteint ni un mort de la chaleur ni un Big Crunch après des milliards d'années nécessite quelques explications. Par exemple, même à l'âge relativement avancé de quelques minutes (le temps de la nucléosynthèse), la densité Univers doit avoir été dans une partie à 10 14 de sa valeur critique, ou il existe pas comme il le fait aujourd'hui.
Une solution à ce problème est proposée par la théorie inflationniste . Au cours de la période d'inflation, l'espace-temps étendu à un point tel que sa courbure aurait été lissé. Ainsi, il est théorisé que l'inflation a conduit l'Univers à un état ??????presque spatialement plat, avec presque exactement la densité critique.
Monopôles magnétiques
Le monopôle magnétique objection a été soulevée à la fin des années 1970. théories de Grand unification prédit défauts topologiques dans l'espace qui se manifesterait que monopôles magnétiques. Ces objets seraient produites efficacement dans la chaude début de l'Univers, résultant en une densité beaucoup plus élevée que ne l'est cohérent avec les observations, étant donné que les recherches ont jamais trouvé de monopoles. Ce problème est également résolu par l'inflation cosmique , qui élimine tous les défauts ponctuels de l'Univers observable de la même manière qu'il entraîne la géométrie à la planéité.
L'avenir selon la théorie du Big Bang
Avant observations de l'énergie sombre, les cosmologistes ont examiné deux scénarios pour l'avenir de l'Univers. Si la masse densité de l'Univers était supérieure à la densité critique, alors l'Univers serait atteindre une taille maximum et ensuite commencer à l'effondrement. Il serait devenu plus dense et plus chaud encore, se terminant par un état ??????semblable à celui dans lequel il a commencé-un Big Crunch. Alternativement, si la densité dans l'Univers était égale ou inférieure à la densité critique, l'expansion ralentissait mais jamais arrêter. La formation d'étoiles cesserait avec la consommation de gaz interstellaire dans chaque galaxie; étoiles brûleraient laissant naines blanches , étoiles à neutrons et les trous noirs . Très progressivement, les collisions entre ceux-ci entraîneraient masse accumulant dans de plus grands et plus grands trous noirs. La température moyenne de l'Univers serait asymptotiquement approcher zéro absolu -a Big Freeze. En outre, si le proton étaient instables, puis la matière baryonique disparaîtrait, laissant seulement le rayonnement et les trous noirs. Finalement, les trous noirs seraient s'évaporer en émettant le rayonnement de Hawking . L' entropie de l'Univers serait augmenter au point où aucune forme organisée de l'énergie pourrait en être extraite, un scénario connu comme la mort de chaleur.
Observations modernes de l'accélération de l'expansion impliquent que de plus en plus de l'Univers actuellement visible va passer au-delà de notre horizon des événements et hors de contact avec nous. Le résultat final ne soit pas connu. Le modèle de ??CDM de l'Univers contient l'énergie sombre sous la forme d'un constante cosmologique. Cette théorie suggère que seuls les systèmes gravitationnellement liés, tels que les galaxies, resteront ensemble, et ils aussi seront soumis à chauffer la mort comme les dilate Univers et refroidit. D'autres explications de l'énergie noire, appelés théories énergétiques fantômes, suggèrent que finalement galaxies, amas d'étoiles, des planètes, des atomes, des noyaux, et de la matière elle-même sera déchirée par l'expansion toujours croissante dans un soi-disant Big Rip.
Physique spéculative au-delà théorie du Big Bang
Alors que le modèle du Big Bang est bien établi dans la cosmologie, il est susceptible d'être affinée à l'avenir. On sait peu sur les premiers moments de l'histoire de l'Univers. Les équations de la classique de la relativité générale indiquent une singularité à l'origine du temps cosmique, bien que cette conclusion dépend de plusieurs hypothèses. En outre, la relativité générale doit briser avant l'Univers atteint la température de Planck, et un traitement correct de la gravité quantique peut éviter la singularité serait-être.
Certaines propositions, chacun des hypothèses non vérifiées qui implique, sont:
- Modèles, y compris la condition de non-limite Hartle-Hawking dans lequel l'ensemble de l'espace-temps est finie; le Big Bang ne représente la limite de temps, mais sans la nécessité d'une singularité.
- Modèle de réseau Big Bang affirme que l'Univers au moment du Big Bang se compose d'un réseau infini de fermions qui est barbouillé sur le domaine fondamental de sorte qu'il a à la fois de rotation, de translation, et d'en mesurer la symétrie. La symétrie est la plus grande symétrie possible et donc l'entropie le plus bas de tout Etat.
- Brane modèles de cosmologie dans laquelle l'inflation est due à la circulation des branes en théorie des cordes ; la pré-Big Bang modèle; la modèle ekpyrotique, dans lequel le Big Bang est le résultat d'une collision entre branes; et le modèle cyclique, une variante du modèle ekpyrotique dans lequel les collisions se produisent périodiquement. Dans ce dernier modèle, le Big Bang a été précédée par un Big Crunch et de l'Univers infini cycles d'un processus à l'autre.
- L'inflation éternelle, où l'inflation universelle se termine localement ici et là d'une manière aléatoire, chaque point final menant à ununivers de bullesexpansion de son propre big bang.
Propositions dans les deux dernières catégories voir le Big Bang comme un événement dans un univers soit beaucoup plus grand et plus ancien, ou dans unmultivers.
Les interprétations religieuses et philosophiques
En théorie pertinente à l'origine de l'univers, le Big Bang a une incidence significative sur la religion et la philosophie. En conséquence, il est devenu l'un des quartiers les plus animés dans le discours entre science et religion. Certains croient que le Big Bang implique un créateur, tandis que d'autres soutiennent que cosmologie du Big Bang rend la notion d'un créateur superflu.
