Cosmología - Cosmology

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El Hubble eXtreme Deep Field (XDF) se completó en septiembre de 2012 y muestra las galaxias más lejanas jamás fotografiadas. A excepción de las pocas estrellas en primer plano (que son brillantes y fácilmente reconocibles porque solo ellas tienen picos de difracción ), cada partícula de luz en la foto es una galaxia individual, algunas de ellas tan antiguas como 13,2 mil millones de años; Se estima que el universo observable contiene más de 2 billones de galaxias.

La cosmología (del griego κόσμος, kosmos "mundo" y -λογία, -logia "estudio de") es una rama de la astronomía que se ocupa de los estudios del origen y evolución del universo , desde el Big Bang hasta hoy y en el futuro. . Es el estudio científico del origen, la evolución y el destino final del universo . La cosmología física es el estudio científico del origen del universo, sus estructuras y dinámicas a gran escala, y su destino final , así como las leyes de la ciencia que gobiernan estas áreas.

El término cosmología se utilizó por primera vez en inglés en 1656 en la Glossographia de Thomas Blount , y en 1731 lo retomó en latín el filósofo alemán Christian Wolff , en Cosmologia Generalis .

La cosmología religiosa o mitológica es un conjunto de creencias basadas en la literatura mitológica , religiosa y esotérica y las tradiciones de los mitos de la creación y la escatología .

La cosmología física es estudiada por científicos, como astrónomos y físicos , así como por filósofos , como metafísicos , filósofos de la física y filósofos del espacio y el tiempo . Debido a este alcance compartido con la filosofía , las teorías en cosmología física pueden incluir proposiciones tanto científicas como no científicas, y pueden depender de suposiciones que no se pueden probar . La cosmología se diferencia de la astronomía en que la primera se ocupa del Universo en su conjunto, mientras que la segunda se ocupa de los objetos celestes individuales . La cosmología física moderna está dominada por la teoría del Big Bang , que intenta unir la astronomía observacional y la física de partículas ; más específicamente, una parametrización estándar del Big Bang con materia oscura y energía oscura , conocida como modelo Lambda-CDM .

El astrofísico teórico David N. Spergel ha descrito la cosmología como una "ciencia histórica" ​​porque "cuando miramos hacia el espacio, miramos hacia atrás en el tiempo" debido a la naturaleza finita de la velocidad de la luz .

Disciplinas

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La física y la astrofísica han desempeñado un papel central en la configuración de la comprensión del universo a través de la observación y la experimentación científicas. La cosmología física se formó a través de las matemáticas y la observación en un análisis de todo el universo. En general, se entiende que el universo comenzó con el Big Bang , seguido casi instantáneamente por la inflación cósmica , una expansión del espacio de la que se cree que surgió hace 13.799 ± 0.021 mil millones de años. La cosmogonía estudia el origen del Universo y la cosmografía mapea las características del Universo.

En la Enciclopedia de Diderot , la cosmología se divide en uranología (la ciencia de los cielos), aerología (la ciencia del aire), geología (la ciencia de los continentes) e hidrología (la ciencia de las aguas).

La cosmología metafísica también se ha descrito como la ubicación de los humanos en el universo en relación con todas las demás entidades. Esto está ejemplificado por la observación de Marco Aurelio de que el lugar de un hombre en esa relación: "El que no sabe qué es el mundo no sabe dónde está, y el que no sabe con qué propósito existe el mundo, no sabe quién es, ni qué es el mundo ".

Descubrimientos

Cosmología física

La cosmología física es la rama de la física y la astrofísica que se ocupa del estudio de los orígenes físicos y la evolución del Universo. También incluye el estudio de la naturaleza del Universo a gran escala. En su forma más temprana, era lo que ahora se conoce como " mecánica celeste ", el estudio de los cielos . Los filósofos griegos Aristarco de Samos , Aristóteles y Ptolomeo propusieron diferentes teorías cosmológicas. El sistema geocéntrico ptolemaico fue la teoría predominante hasta el siglo XVI cuando Nicolaus Copernicus , y posteriormente Johannes Kepler y Galileo Galilei , propusieron un sistema heliocéntrico . Este es uno de los ejemplos más famosos de ruptura epistemológica en la cosmología física.

Isaac Newton 's Principia Mathematica , publicado en 1687, fue la primera descripción de la ley de gravitación universal . Proporcionó un mecanismo físico para las leyes de Kepler y también permitió que se resolvieran las anomalías en sistemas anteriores, causadas por la interacción gravitacional entre los planetas. Una diferencia fundamental entre la cosmología de Newton y las que la precedieron fue el principio copernicano de que los cuerpos en la tierra obedecen las mismas leyes físicas que todos los cuerpos celestes. Este fue un avance filosófico crucial en la cosmología física.

Se suele considerar que la cosmología científica moderna comenzó en 1917 con la publicación de Albert Einstein de su modificación final de la relatividad general en el artículo "Cosmological Considerations of the General Theory of Relativity" (aunque este artículo no estuvo ampliamente disponible fuera de Alemania hasta el final de la Primera Guerra Mundial ). La relatividad general llevó a cosmogonistas como Willem de Sitter , Karl Schwarzschild y Arthur Eddington a explorar sus ramificaciones astronómicas, lo que mejoró la capacidad de los astrónomos para estudiar objetos muy distantes. Los físicos comenzaron a cambiar la suposición de que el Universo era estático e inmutable. En 1922, Alexander Friedmann introdujo la idea de un universo en expansión que contenía materia en movimiento. Aproximadamente al mismo tiempo (1917 a 1922) tuvo lugar el Gran Debate , y los primeros cosmólogos como Heber Curtis y Ernst Öpik determinaron que algunas nebulosas vistas en telescopios eran galaxias separadas muy distantes de la nuestra.

Paralelamente a este enfoque dinámico de la cosmología, un debate de larga data sobre la estructura del cosmos estaba llegando a su punto culminante. El astrónomo de Mount Wilson, Harlow Shapley, defendió el modelo de un cosmos compuesto únicamente por el sistema estelar de la Vía Láctea ; mientras que Heber D. Curtis defendía la idea de que las nebulosas espirales eran sistemas estelares por derecho propio como universos insulares. Esta diferencia de ideas llegó a su punto culminante con la organización del Gran Debate el 26 de abril de 1920 en la reunión de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos en Washington, DC El debate se resolvió cuando Edwin Hubble detectó Variables Cefeidas en la Galaxia de Andrómeda en 1923 y 1924. Su distancia estableció nebulosas espirales mucho más allá del borde de la Vía Láctea.

El modelado posterior del universo exploró la posibilidad de que la constante cosmológica , introducida por Einstein en su artículo de 1917, pueda resultar en un universo en expansión , dependiendo de su valor. Así, el modelo del Big Bang fue propuesto por el sacerdote belga Georges Lemaître en 1927, que posteriormente fue corroborado por el descubrimiento del corrimiento al rojo por Edwin Hubble en 1929 y más tarde por el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas cósmica por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson en 1964. Estos hallazgos fueron un primer paso para descartar algunas de las muchas cosmologías alternativas .

Desde alrededor de 1990, varios avances dramáticos en la cosmología observacional han transformado la cosmología de una ciencia en gran parte especulativa a una ciencia predictiva con un acuerdo preciso entre la teoría y la observación. Estos avances incluyen observaciones del fondo de microondas de los satélites COBE , WMAP y Planck , grandes estudios de desplazamiento al rojo de nuevas galaxias que incluyen 2dfGRS y SDSS , y observaciones de supernovas distantes y lentes gravitacionales . Estas observaciones coincidieron con las predicciones de la teoría de la inflación cósmica , una teoría del Big Bang modificada y la versión específica conocida como modelo Lambda-CDM . Esto ha llevado a muchos a referirse a los tiempos modernos como la "edad de oro de la cosmología".

El 17 de marzo de 2014, los astrónomos del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica anunciaron la detección de ondas gravitacionales , lo que proporciona una fuerte evidencia de la inflación y el Big Bang . Sin embargo, el 19 de junio de 2014, se informó una disminución de la confianza en la confirmación de los resultados de la inflación cósmica .

El 1 de diciembre de 2014, en la reunión de Planck 2014 en Ferrara , Italia , los astrónomos informaron que el universo tiene 13.800 millones de años y está compuesto por un 4,9% de materia atómica , un 26,6% de materia oscura y un 68,5% de energía oscura .

Cosmología religiosa o mitológica

La cosmología religiosa o mitológica es un conjunto de creencias basadas en la literatura mitológica , religiosa y esotérica y las tradiciones de la creación y la escatología .

Cosmología filosófica

Representación del universo observable en escala logarítmica.

La cosmología se ocupa del mundo como la totalidad del espacio, el tiempo y todos los fenómenos. Históricamente, ha tenido un alcance bastante amplio y en muchos casos se encontró en la religión. En el uso moderno, la cosmología metafísica aborda cuestiones sobre el Universo que están más allá del alcance de la ciencia. Se distingue de la cosmología religiosa en que aborda estas cuestiones utilizando métodos filosóficos como la dialéctica . La cosmología metafísica moderna intenta abordar cuestiones como:

Cosmologías históricas

Nombre Autor y fecha Clasificación Observaciones
Cosmología hindú Rigveda (c. 1700-1100 a. C.) Cíclico u oscilante, infinito en el tiempo La materia primordial permanece manifiesta durante 311,04 billones de años y no manifiesta durante el mismo período. El universo permanece manifiesto durante 4,32 mil millones de años y no manifestado durante la misma duración. Existen innumerables universos simultáneamente. Estos ciclos han durado y durarán para siempre, impulsados ​​por los deseos.
Cosmología jainista Jain Agamas (escrito alrededor del 500 d.C. según las enseñanzas de Mahavira 599-527 a.C.) Cíclico u oscilante, eterno y finito La cosmología jainista considera al loka , o universo, como una entidad no creada, que existe desde el infinito, la forma del universo es similar a la de un hombre de pie con las piernas separadas y el brazo apoyado en la cintura. Este Universo, según el jainismo , es ancho en la parte superior, estrecho en el medio y una vez más se vuelve ancho en la parte inferior.
Cosmología babilónica Literatura babilónica (c. 2300-500 a. C.) Tierra plana flotando en infinitas "aguas del caos" La Tierra y los Cielos forman una unidad dentro de infinitas "aguas del caos"; la tierra es plana y circular, y una cúpula sólida (el "firmamento") mantiene fuera el "caos" exterior, el océano.
Cosmología eleática Parménides (c. 515 a. C.) Extensión finita y esférica El Universo es inmutable, uniforme, perfecto, necesario, atemporal y no se genera ni es perecedero. El vacío es imposible. La pluralidad y el cambio son productos de la ignorancia epistémica derivada de la experiencia sensorial. Los límites temporales y espaciales son arbitrarios y relativos al conjunto de Parmenidean.
Cosmología bíblica Narrativa de la creación del Génesis Tierra flotando en infinitas "aguas del caos" La Tierra y los Cielos forman una unidad dentro de infinitas "aguas del caos"; el " firmamento " mantiene fuera el "caos" exterior, el océano.
Universo atomista Anaxágoras (500-428 a. C.) y más tarde Epicuro Infinito en extensión El universo contiene solo dos cosas: un número infinito de semillas diminutas ( átomos ) y el vacío de extensión infinita. Todos los átomos están hechos de la misma sustancia, pero difieren en tamaño y forma. Los objetos se forman a partir de agregaciones de átomos y vuelven a descomponerse en átomos. Incorpora el principio de causalidad de Leucipo : "nada sucede al azar; todo ocurre por razón y necesidad". El universo no estaba gobernado por dioses .
Universo pitagórico Filolao (m. 390 a. C.) Existencia de un "Fuego Central" en el centro del Universo. En el centro del Universo hay un fuego central, alrededor del cual giran uniformemente la Tierra, el Sol, la Luna y los planetas . El Sol gira alrededor del fuego central una vez al año, las estrellas están inmóviles. La tierra en su movimiento mantiene la misma cara oculta hacia el fuego central, por lo que nunca se ve. Primer modelo no geocéntrico conocido del Universo.
De Mundo Pseudo-Aristóteles (m. 250 a. C. o entre 350 y 200 a. C.) El Universo, entonces, es un sistema formado por el cielo y la tierra y los elementos que están contenidos en ellos. Hay "cinco elementos, situados en esferas en cinco regiones, el menor en cada caso rodeado por el mayor, es decir, tierra rodeada de agua, agua por aire, aire por fuego y fuego por éter", componen todo el Universo. "
Universo estoico Estoicos (300 a. C. - 200 d. C.) Universo insular El cosmos es finito y está rodeado por un vacío infinito. Está en un estado de cambio, pulsa de tamaño y sufre convulsiones y conflagraciones periódicas.
Universo aristotélico Aristóteles (384–322 a. C.) Geocéntrico , estático, estado estacionario, extensión finita, tiempo infinito La tierra esférica está rodeada de esferas celestes concéntricas . El universo existe sin cambios a lo largo de la eternidad. Contiene un quinto elemento, llamado éter , que se agregó a los cuatro elementos clásicos .
Universo aristarqueano Aristarco (circa 280 a. C.) Heliocéntrico La Tierra gira a diario sobre su eje y gira anualmente alrededor del sol en una órbita circular. La esfera de estrellas fijas se centra alrededor del sol.
Modelo ptolemaico Ptolomeo (siglo II d.C.) Geocéntrico (basado en el universo aristotélico) El universo orbita alrededor de una Tierra estacionaria. Los planetas se mueven en epiciclos circulares , cada uno de los cuales tiene un centro que se mueve en una órbita circular más grande (llamada excéntrica o deferente) alrededor de un punto central cerca de la Tierra. El uso de ecuaciones agregó otro nivel de complejidad y permitió a los astrónomos predecir las posiciones de los planetas. El modelo de universo más exitoso de todos los tiempos, utilizando el criterio de longevidad. Almagest (el gran sistema).
Modelo ariabhatano Aryabhata (499) Geocéntrico o heliocéntrico La Tierra gira y los planetas se mueven en órbitas elípticas alrededor de la Tierra o el Sol; No se sabe si el modelo es geocéntrico o heliocéntrico debido a las órbitas planetarias dadas con respecto a la Tierra y al Sol.
Universo medieval Filósofos medievales (500-1200) Finito en el tiempo Un universo que es finito en el tiempo y tiene un comienzo es propuesto por el filósofo cristiano John Philoponus , quien argumenta en contra de la noción griega antigua de un pasado infinito. Los argumentos lógicos que apoyan un universo finito son desarrollados por el filósofo musulmán temprano Al-Kindi , el filósofo judío Saadia Gaon y el teólogo musulmán Al-Ghazali .
Cosmología multiversal Fakhr al-Din al-Razi (1149–1209) Multiverso , múltiples mundos y universos Existe un espacio exterior infinito más allá del mundo conocido, y Dios tiene el poder de llenar el vacío con un número infinito de universos.
Modelos Maragha Escuela Maragha (1259-1528) Geocéntrico Varias modificaciones al modelo ptolemaico y al universo aristotélico, incluido el rechazo de ecuaciones y excéntricas en el observatorio Maragheh , y la introducción de Tusi-couple por Al-Tusi . Los modelos alternativos más tarde propuestos, incluido el primero precisa lunar modelo por Ibn al-Shatir , un modelo de rechazo estacionaria Tierra en favor de la rotación de la Tierra por Ali Kuşçu , y modelo planetario que incorpora "circular inercia " por Al-Birjandi .
Modelo Nilakanthan Nilakantha Somayaji (1444-1544) Geocéntrico y heliocéntrico Un universo en el que los planetas orbitan alrededor del Sol, que orbita la Tierra; similar al sistema Tychonic posterior
Universo copernicano Nicolás Copérnico (1473-1543) Heliocéntrico con órbitas planetarias circulares Descrito por primera vez en De revolutionibus orbium coelestium .
Sistema ticónico Tycho Brahe (1546-1601) Geocéntrico y heliocéntrico Un universo en el que los planetas orbitan alrededor del Sol y el Sol orbita la Tierra, similar al modelo anterior de Nilakanthan .
La cosmología de Bruno Giordano Bruno (1548-1600) Extensión infinita, tiempo infinito, homogéneo, isotrópico, no jerárquico Rechaza la idea de un universo jerárquico. La Tierra y el Sol no tienen propiedades especiales en comparación con los otros cuerpos celestes. El vacío entre las estrellas está lleno de éter y la materia está compuesta por los mismos cuatro elementos (agua, tierra, fuego y aire), y es atomista, animista e inteligente.
Kepleriano Johannes Kepler (1571-1630) Heliocéntrico con órbitas planetarias elípticas Los descubrimientos de Kepler, uniendo las matemáticas y la física, proporcionaron la base para nuestra concepción actual del sistema solar, pero las estrellas distantes todavía se veían como objetos en una esfera celeste delgada y fija.
Newtoniano estático Isaac Newton (1642-1727) Estático (en evolución), estado estable, infinito Cada partícula del universo atrae a todas las demás partículas. La materia a gran escala se distribuye uniformemente. Gravitacionalmente equilibrado pero inestable.
Universo cartesiano de vórtice René Descartes , siglo XVII Estático (en evolución), estado estable, infinito Un sistema de enormes remolinos de materia fina o etérea produce lo que llamaríamos efectos gravitacionales. Pero su vacío no estaba vacío; todo el espacio estaba lleno de materia.
Universo jerárquico Immanuel Kant , Johann Lambert , siglo XVIII Estático (en evolución), estado estable, infinito La materia se agrupa en escalas de jerarquía cada vez mayores. La materia se recicla sin cesar.
Universo de Einstein con una constante cosmológica Albert Einstein , 1917 Estático (nominalmente). Delimitado (finito) "Materia sin movimiento". Contiene materia distribuida uniformemente. Espacio esférico uniformemente curvado; basado en la hiperesfera de Riemann . La curvatura se establece en Λ. De hecho, Λ equivale a una fuerza repulsiva que contrarresta la gravedad. Inestable.
Universo de Sitter Willem de Sitter , 1917 Ampliando el espacio plano .

Estado estable. Λ> 0

"Movimiento sin materia". Solo aparentemente estático. Basado en la relatividad general de Einstein . El espacio se expande con una aceleración constante . El factor de escala aumenta exponencialmente ( inflación constante ).
Universo MacMillan William Duncan MacMillan 1920 Estado estático y estable Se crea nueva materia a partir de la radiación ; la luz de las estrellas se recicla perpetuamente en nuevas partículas de materia.
Universo de Friedmann , espacio esférico Alexander Friedmann 1922 Espacio de expansión esférico.

k = +1; no Λ

Curvatura positiva. Constante de curvatura k = +1

Se expande y luego vuelve a colapsar . Espacialmente cerrado (finito).

Universo de Friedmann , espacio hiperbólico Alexander Friedmann , 1924 Espacio en expansión hiperbólico .

k = −1; no Λ

Curvatura negativa . Se dice que es infinito (pero ambiguo). Ilimitado. Se expande para siempre.
Hipótesis de los grandes números de Dirac Paul Dirac 1930 En expansión Exige una gran variación en G , que disminuye con el tiempo. La gravedad se debilita a medida que evoluciona el universo.
Curvatura cero de Friedmann Einstein y De Sitter, 1932 Ampliando el espacio plano

k = 0; Λ = 0 Densidad crítica

Constante de curvatura k = 0. Se dice que es infinita (pero ambigua). "Cosmos ilimitado de extensión limitada". Se expande para siempre. "El más simple" de todos los universos conocidos. Nombrado así pero no considerado por Friedmann. Tiene un término de desaceleración q = 1/2, lo que significa que su tasa de expansión se ralentiza.
El Big Bang original (Friedmann-Lemaître) Georges Lemaître 1927–29 Expansión

Λ> 0; Λ> | Gravedad |

Λ es positivo y tiene una magnitud mayor que la gravedad. El universo tiene un estado inicial de alta densidad ("átomo primitivo"). Seguido de una expansión de dos etapas. Λ se utiliza para desestabilizar el universo. (Lemaître es considerado el padre del modelo del Big Bang).
Universo oscilante (Friedmann-Einstein) Favorecido por Friedmann , 1920 Expansión y contracción en ciclos El tiempo es infinito y sin comienzo; evita así la paradoja del principio de los tiempos. Ciclos perpetuos de Big Bang seguidos de Big Crunch. (La primera opción de Einstein después de rechazar su modelo de 1917).
Universo de Eddington Arthur Eddington 1930 Primero estático y luego se expande Universo estático de Einstein 1917 con su inestabilidad alterada en modo de expansión; con la incesante dilución de la materia se convierte en un universo De Sitter. Λ domina la gravedad.
Universo Milne de la relatividad cinemática Edward Milne , 1933, 1935;

William H. McCrea , década de 1930

Expansión cinemática sin expansión espacial Rechaza la relatividad general y el paradigma del espacio en expansión. La gravedad no se incluye como suposición inicial. Obedece al principio cosmológico y la relatividad especial ; Consiste en una nube esférica finita de partículas (o galaxias) que se expande dentro de un espacio plano infinito y vacío. Tiene un centro y un borde cósmico (superficie de la nube de partículas) que se expande a la velocidad de la luz. La explicación de la gravedad fue elaborada y poco convincente.
Clase de modelos de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker Howard Robertson , Arthur Walker , 1935 Expansión uniforme Clase de universos homogéneos e isotrópicos. El espacio-tiempo se separa en un espacio uniformemente curvado y un tiempo cósmico común a todos los observadores en movimiento. El sistema de formulación se conoce ahora como la métrica FLRW o Robertson-Walker de tiempo cósmico y espacio curvo.
Estado estable Hermann Bondi , Thomas Gold , 1948 Expansión, estado estable, infinito La tasa de creación de materia mantiene una densidad constante. Creación continua de la nada de la nada. Expansión exponencial. Término de desaceleración q = −1.
Estado estable Fred Hoyle 1948 Expansión, estado estable; pero inestable La tasa de creación de materia mantiene una densidad constante. Pero dado que la tasa de creación de materia debe equilibrarse exactamente con la tasa de expansión del espacio, el sistema es inestable.
Ambiplasma Hannes Alfvén 1965 Oskar Klein Universo celular, expandiéndose por medio de la aniquilación de materia-antimateria Basado en el concepto de cosmología plasmática . El universo se ve como "metagalaxias" divididas por capas dobles y, por lo tanto, una naturaleza similar a una burbuja. Otros universos se forman a partir de otras burbujas. Las continuas aniquilaciones de materia cósmica- antimateria mantienen las burbujas separadas y se mueven para evitar que interactúen.
Teoría de Brans-Dicke Carl H. Brans , Robert H. Dicke En expansión Basado en el principio de Mach . G varía con el tiempo a medida que el universo se expande. "Pero nadie está muy seguro de lo que realmente significa el principio de Mach".
Inflación cósmica Alan Guth 1980 Big Bang modificado para resolver problemas de horizonte y planitud Basado en el concepto de inflación caliente. El universo se ve como un flujo cuántico múltiple, de ahí su naturaleza similar a una burbuja. Otros universos se forman a partir de otras burbujas. La expansión cósmica en curso mantuvo las burbujas separadas y moviéndose.
Inflación eterna (un modelo de universo múltiple) Andreï Linde , 1983 Big Bang con inflación cósmica Multiverso basado en el concepto de inflación fría, en el que los eventos inflacionarios ocurren al azar cada uno con condiciones iniciales independientes; algunos se expanden en universos burbuja supuestamente como nuestro cosmos entero. Las burbujas se nuclean en una espuma de espacio-tiempo .
Modelo cíclico Paul Steinhardt ; Neil Turok 2002 Expansión y contracción en ciclos; M-teoría . Dos planos orbitales paralelos o M-branas chocan periódicamente en un espacio de dimensiones superiores. Con quintaesencia o energía oscura .
Modelo cíclico Lauris Baum; Paul Frampton 2007 Solución del problema de entropía de Tolman La energía oscura fantasma fragmenta el universo en una gran cantidad de parches desconectados. Nuestros contratos de parche contienen solo energía oscura con entropía cero .

Notas de la tabla: el término "estático" simplemente significa que no se expande ni se contrae. El símbolo G representa la constante gravitacional de Newton ; Λ (Lambda) es la constante cosmológica .

Ver también

Referencias

enlaces externos