Big Bang
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La théorie du Big Bang est la dominante cosmologique modèle qui décrit le développement précoce de l' Univers . Selon la théorie, le Big Bang se est produit il ya environ 13,77 milliards années, qui est ainsi considéré comme le âge de l'univers . Après ce temps, l'Univers était dans un état extrêmement chaud et dense et a commencé en pleine expansion. Après l'expansion initiale, l'Univers refroidi suffisamment pour permettre à l'énergie d'être convertis en divers particules subatomiques, y compris les protons , neutrons et électrons . Bien que les noyaux atomiques simples pourraient avoir formé rapidement, des milliers d'années ont été nécessaires avant l'apparition des premiers atomes électriquement neutres. Le premier élément est produite hydrogène , avec des traces d' hélium et de lithium . Nuages géants de ces éléments primordiaux tard ont fusionné par gravité pour former étoiles et galaxies , et les éléments les plus lourds ont été synthétisés soit dans les étoiles ou lors de supernovae.
Le Big Bang est un bien testé la théorie scientifique et est largement acceptée dans la communauté scientifique. Il offre une explication complète pour un large éventail de phénomènes observés, y compris le l'abondance des éléments légers, le fond diffus cosmologique , structure à grande échelle , et le diagramme de Hubble pour Supernovae de type Ia. Les idées de base de la Big Bang-l'expansion, l'état début chaud, la formation de l'hélium, et la formation de galaxies sont dérivées de ces observations et d'autres qui sont indépendants de tout modèle cosmologique. Comme la distance entre les amas de galaxies est en hausse aujourd'hui, il est déduit que tout était plus étroitement dans le passé. Cette idée a été examiné en détail dans le temps pour extrêmes densités et températures , et une grande accélérateurs de particules ont été construits pour expérimenter dans de telles conditions, ce qui entraîne la poursuite du développement du modèle. D'autre part, ces accélérateurs ont des capacités limitées à sonder ces régimes élevés de l'énergie . Il ya peu de preuves concernant absolue le premier instant de l'expansion. Ainsi, la théorie du Big Bang ne peut pas et ne fournit pas d'explication pour une telle condition initiale; plutôt, il décrit et explique l'évolution générale de l'univers aller de l'avant à partir de là.
Georges Lemaître abord proposé ce qui est devenu la théorie du Big Bang dans ce qu'il appelle son «hypothèse de l'atome primitif». Au fil du temps, les scientifiques construits sur ses idées initiales pour former la synthèse moderne. Le cadre pour le modèle Big Bang repose sur Albert Einstein de la relativité générale et sur des hypothèses simplificatrices tels que homogénéité et isotropie de l'espace. Les équations régissant avaient été formulées par Alexander Friedmann. En 1929, Edwin Hubble a découvert que les distances de loin galaxies étaient généralement proportionnelle à leurs décalages vers le rouge idée -une origine proposées par Lemaître en 1927. observation de Hubble a été prise pour indiquer que toutes les galaxies et des amas très éloignés ont une vitesse apparente directement loin de notre point de vue: le plus loin, plus la vitesse apparente.
Alors que la communauté scientifique a été une fois divisé entre les partisans du Big Bang et ceux de la Théorie de l'état stationnaire, la plupart des scientifiques sont devenus convaincus que certaines version du scénario du Big Bang meilleures observations en forme après la découverte du rayonnement cosmique micro-ondes de fond en 1964, et en particulier lorsque son spectre (ce est à dire, la quantité de rayonnement mesurée à chaque longueur d'onde) a été trouvé pour correspondre à celle du rayonnement thermique d'un corps noir. Depuis lors, les astrophysiciens ont intégré un large éventail d'ajouts d'observation et théoriques dans le modèle du Big Bang, et son comme le paramétrage Modèle Lambda-CDM sert de cadre pour les enquêtes en cours de la cosmologie théorique.
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 arrière dans le temps en utilisant la relativité générale infini donne une densité et la température à un temps fini dans le passé. Cette singularité signale la rupture de la relativité générale. Dans quelle mesure nous pouvons extrapoler vers la singularité est débattue-certainement pas plus proche que la fin de la Planck époque. Cette singularité est parfois appelée «Big Bang», mais le terme peut également se référer à chaud, phase dense début elle-même, qui peut être considéré comme la «naissance» de notre Univers. D'après les mesures de l'expansion à l'aide de Supernovae de type Ia, des mesures de fluctuations de température dans le fond diffus cosmologique , et les mesures de la fonction de corrélation des galaxies, l'Univers a un âge calculé de 13,772 ± 0,059 milliards années. L'accord de ces trois mesures indépendantes soutient fermement la ΛCDM modèle qui décrit en détail le contenu de l'Univers.
Les premières phases de la Big Bang sont soumis à beaucoup de spéculations. Dans les modèles les plus courants de l'Univers a été rempli de façon homogène et isotrope avec un niveau incroyablement élevé densité d'énergie et d'énormes températures et pressions et a été très rapidement l'expansion et le refroidissement. Environ 10 -37 secondes dans l'expansion, un transition de phase provoqué une inflation cosmique , au cours de laquelle l'univers a augmenté de façon exponentielle . Après l'inflation arrêté, l'Univers consistait en un plasma quark-gluon, ainsi que tous les autres particules élémentaires. Les températures ont été si élevé que les mouvements aléatoires de particules étaient à relativiste vitesses, et paires particule-antiparticule de toutes sortes ont été continuellement créés et détruits dans des collisions. À un certain point une réaction inconnue appelé baryogénèse violé la conservation de la nombre baryonique, conduisant à un très petit excès de quarks et leptons plus antiquarks et antileptons-de l'ordre d'une part à 30 millions. Cela a abouti à la prédominance de la matière sur antimatière dans l'univers actuel.
Champ extrêmement profond de Hubble (XDF)
L'Univers a continué à diminuer la densité et de chute de la température, donc l'énergie typique de chaque particule a diminué. Brisure de symétrie des transitions de phase mettre le forces fondamentales de la physique et les paramètres de particules élémentaires dans leur forme actuelle. Après environ 10 -11 secondes, l'image devient moins spéculatif, puisque énergies des particules tombent à des valeurs qui peuvent être atteintes dans la physique des particules expériences. À environ 10 -6 secondes, les quarks et les gluons combinés pour former baryons comme les protons et les neutrons. Le petit excès de quarks antiquarks plus conduit à un petit excès de baryons plus antibaryons. La température ne était plus suffisamment élevé pour créer de nouvelles paires proton-antiproton (même pour neutrons-antineutrons), donc une annihilation de masse immédiatement 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 à environ 1 seconde pour les électrons et les positrons. Après ces anéantissements, les protons restants, neutrons et électrons ne étaient plus le déplacement relativiste et la densité d'énergie de l'Univers a été dominée par des photons (avec une contribution mineure de neutrinos).
Quelques minutes après l'expansion, lorsque la température était environ un milliard (mille millions; 10 9; préfixe SI giga) kelvin et la densité était d'environ celle de l'air, les neutrons combinés avec des protons pour former de l'Univers deutérium et l'hélium noyaux dans un processus appelé Nucléosynthèse Big Bang. La plupart des protons sont restés non combinée comme hydrogène noyaux. Comme refroidi l'Univers, le reposer la densité d'énergie massique de la matière est venu à gravitationnellement dominer celle du photon rayonnement . Après environ 379000 années les électrons et les noyaux combinés en atomes (principalement l'hydrogène ); d'où le rayonnement découplé de la matière et a continué à travers l'espace largement sans entrave. Ce rayonnement fossile est connu comme le rayonnement cosmique de fond .
Sur une longue période de temps, les régions légèrement plus denses de la matière à proximité question gravitationnellement attiré près uniformément répartie et donc ont augmenté encore plus dense, formant des nuages de gaz, étoiles , galaxies, et les autres structures astronomiques observables aujourd'hui. Les détails de ce processus dépend de la quantité et le type de matière dans l'Univers. Les quatre types possibles de la matière sont connus comme matière noire froide, matière noire chaude, matière noire chaude et matière baryonique. Les meilleures mesures disponibles (à partir WMAP) montrent que les données sont bien en forme par un Modèle Lambda-CDM dans lequel la matière noire est supposé être froide ( la matière noire chaude est exclu au début réionisation), et est estimé à représenter environ 23% de la matière / énergie de l'univers, tandis que la matière baryonique représente environ 4,6%. Dans un «modèle étendu", qui comprend la matière noire chaude sous la forme de neutrinos, alors si la "densité baryonique physique» Ω b h 2 est estimé à environ 0,023 (ce qui est différent de la «densité baryonique" Ω b exprimée comme une fraction de la densité de matière / énergie totale, qui, comme indiqué ci-dessus est d'environ 0,046 ), et le correspondant sombre et froide Ω de densité de matière c h 2 est d'environ 0,11, la densité de neutrinos Ω v h correspondante 2 est estimé à moins de 0,0062.
Lignes indépendantes de preuve de Supernovae de type Ia et de la CMB implique que l'Univers est aujourd'hui dominé par une forme mystérieuse d'énergie connue sous le nom l'énergie sombre, qui imprègne apparemment tout l'espace. Les observations suggèrent 73% de la densité d'énergie totale de l'Univers d'aujourd'hui est sous cette forme. Lorsque l'Univers était très jeune, il a probablement été infusé avec l'énergie sombre, mais avec moins d'espace et tout rapprochement, la gravité avait la haute main, et il a été lentement freine l'expansion. Mais finalement, après de nombreux milliards d'années d'expansion, l'abondance croissante de l'énergie sombre a amené l' expansion de l'Univers pour commencer lentement à se accélérer. L'énergie sombre dans sa formulation la plus simple prend la forme de la terme constante cosmologique dans Les équations de champ d'Einstein de la relativité générale, mais sa composition et le mécanisme sont inconnus et, plus généralement, les détails de son équation d'état et la relation avec le modèle standard de la physique des particules continuer à étudier à la fois les observations, et théoriquement.
Tout cela l'évolution cosmique après la époque inflationniste peut être décrit avec rigueur et modélisé par la ΛCDM modèle de la cosmologie, qui utilise les cadres indépendants de la mécanique quantique et la relativité générale d'Einstein. Comme indiqué plus haut, il n'y a pas de modèle bien supporté décrivant l'action avant 10 à 15 secondes. Apparemment, une nouvelle théorie unifiée de gravitation quantique est nécessaire pour briser cette barrière. La compréhension de cette première des époques dans l'histoire de l'Univers est actuellement l'un des plus grand problèmes non résolus de la physique.
Hypothèses sous-jacentes
La théorie du Big Bang repose sur deux grandes hypothèses: l'universalité de lois physiques et la principe cosmologique. Le principe cosmologique indique que sur de grandes échelles de l'Univers est homogène et isotrope.
Ces idées ont été initialement pris comme postulats, mais aujourd'hui, il ya des efforts pour tester chacun d'eux. Par exemple, la première hypothèse a été testée par des observations montrant que le plus grand écart possible de la bien constante de la structure sur une grande partie de l' âge de l'univers est de l'ordre de 10 -5. En outre, la relativité générale a passé strictes des tests à l'échelle du système solaire et les étoiles binaires.
Si la grande échelle Univers apparaît isotrope vue depuis la Terre, le principe cosmologique peut être déduite de la simple Principe de Copernic, qui affirme qu'il n'y a pas d'observateur ou de Vantage Point préféré (ou spécial). A cette fin, le principe cosmologique a été confirmée à un niveau de 10 -5 via observations du CMB. L'Univers a été mesurée pour être homogène sur les plus grandes échelles au niveau de 10%.
FLRW métrique
La relativité générale décrit par un espace-temps métrique, qui détermine les distances qui séparent les points voisins. Les points, qui peut être galaxies, des étoiles ou d'autres objets, se sont spécifiées à l'aide d'un coordonner graphique ou "grille" qui est prévue sur l'ensemble l'espace-temps. Le principe cosmologique implique que la métrique devrait être homogène et isotrope sur de grandes échelles, qui distingue de manière unique sur le Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker métrique (FLRW métrique). Cette mesure contient une facteur d'échelle, qui décrit comment la taille de l'univers change avec le temps. Cela permet un choix pratique d'un système de coordonnées à réaliser, appelé comobiles coordonnées. Dans ce système de coordonnées de la grille se étend le long de l'univers, et des objets qui se déplacent uniquement en raison de l'expansion de l'univers restent à des points fixes sur la grille. Bien que leur distance de coordonnées ( la distance comobile) reste constante, la distance entre deux de ces points augmente proportionnellement avec Comoving la facteur d'échelle de l'Univers.
Le Big Bang ne est pas une explosion de la matière se déplaçant vers l'extérieur pour combler un univers vide. Au lieu de cela, l'espace se élargit avec le temps partout et augmente la distance physique entre deux points Comoving. Parce que le FLRW métrique suppose une distribution uniforme de la masse et de l'énergie, il se applique à notre Univers que sur de grandes échelles locales concentrations de matières telles que notre galaxie sont gravitationnellement liés et en tant que telle ne éprouvent l'expansion à grande échelle de l'espace.
Horizons
Une caractéristique importante de l'espace-temps du Big Bang est la présence d' horizons . Depuis l'Univers a un âge fini, et la lumière se déplace à une vitesse finie, il peut y avoir des événements du passé dont la lumière n'a pas eu le temps de nous rejoindre. Cela place une limite ou un horizon passé sur les objets les plus éloignés qui peuvent être observées. Inversement, parce que l'espace est en expansion, et les objets plus éloignés sont en recul de plus en plus rapidement, la lumière émise par nous aujourd'hui ne peut jamais «rattraper» les objets à très éloignées. Ceci définit un horizon futur, ce qui limite les événements dans le futur que nous serons en mesure d'influencer. La présence ou l'autre type de l'horizon dépend des détails du modèle FLRW qui décrit notre Univers. Notre compréhension de l'Univers retour à des temps très anciens suggère qu'il ya un horizon passé, bien que dans la pratique de notre point de vue est également limitée par l'opacité de l'Univers à des temps précoces. Donc, notre point de vue ne peut pas étendre vers l'arrière dans le temps, si l'horizon se éloigne dans l'espace. Si l'expansion de l'univers continue à accélérer, il ya un horizon avenir.
Histoire
Étymologie
Fred Hoyle est crédité d'inventer le terme Big Bang 1949 lors d'une émission de radio. Il est populairement rapporté que Hoyle, qui ont favorisé une alternative " l'état d'équilibre "de modèle cosmologique, destiné cela soit péjoratif, mais Hoyle explicitement nié cela et dit que ce était juste une image saisissante destiné à mettre en évidence la différence entre les deux modèles.
Développement
La théorie du Big Bang développé à partir d'observations de la structure de l'Univers et de considérations théoriques. En 1912, Vesto Slipher mesurée la première Doppler d'un " nébuleuse spirale »(nébuleuse spirale est le terme obsolète pour les galaxies spirales), et découvre rapidement que presque toutes ces nébuleuses reculaient de la Terre. Il n'a pas saisi les implications cosmologiques de ce fait, et même au moment où il était très controversée ou non ces nébuleuses étaient des «univers-îles" en dehors de notre Voie Lactée . Dix ans plus tard, Alexander Friedmann, un russe cosmologue et mathématicien , dérivé les équations de Friedmann de Les équations d'Einstein de la relativité générale, qui montrent que l'Univers pourrait être en expansion, contrairement à la modèle statique Univers préconisée par Einstein à l'époque. En 1924, la mesure d'Edwin Hubble de la grande distance aux nébuleuses en spirale la plus proche a montré que ces systèmes étaient en effet d'autres galaxies. Indépendamment dériver les équations de Friedmann en 1927, Georges Lemaître, physicien belge et catholique romaine prêtre, a proposé que la récession présumées des nébuleuses est due à l'expansion de l'Univers.
En 1931 Lemaître est allé plus loin et a suggéré que l'expansion évidente de l'univers, si les projections dans le temps, signifiait que le plus loin dans le passé, le plus petit de l'univers était, jusqu'à un certain temps fini dans le passé toute la masse de l'Univers a été concentré en un seul point, un «atome primitif" où et quand le tissu du temps et de l'espace est entré en existence.
À partir de 1924, Hubble soigneusement développé une série d'indicateurs de distance, le précurseur de la Mesure des distances en astronomie, en utilisant le 100-pouces (2500 mm) télescope Hooker Observatoire du Mont Wilson. Cela lui a permis d'estimer les distances de galaxies dont les décalages vers le rouge avait déjà été mesurée, principalement par Slipher. En 1929, Hubble a découvert une corrélation entre la distance et la vitesse-récession maintenant connu comme la loi de Hubble . Lemaître avait déjà montré que ce était prévu, compte tenu de la Principe cosmologique.
Dans les années 1920 et 1930, presque tous les grands cosmologiste préféré un éternel l'état d'équilibre Univers, et plusieurs se sont plaints que le début des temps implicite par le Big Bang importé concepts religieux en physique; cette objection a été reprise plus tard par des partisans du la théorie à l'état stable. Cette perception a été renforcée par le fait que l'auteur de la théorie du Big Bang, Monseigneur Georges Lemaître, était un prêtre catholique. Arthur Eddington accord avec Aristote que l'univers n'a pas de commencement dans le temps, à savoir., que la matière est éternelle. Un commencement dans le temps était "incompatible" avec lui. Lemaître, cependant, penser que
Si le monde a commencé avec un seul quantique , les notions d'espace et de temps seraient tout à fait ne pas avoir un sens au début; ils ne commencera à avoir un sens raisonnable lorsque le quantum d'origine avait été divisée en un nombre suffisant de quanta. Si cette suggestion est correcte, le commencement du monde est arrivé un peu avant le début de l'espace et du temps.
Pendant les années 1930, d'autres idées ont été proposées comme cosmologies non standard pour expliquer les observations de Hubble, y compris le Modèle Milne, Univers oscillant (initialement suggérée par Friedmann, mais préconisée par Albert Einstein et Richard Tolman) et Fritz Zwicky de hypothèse la lumière fatigué.
Après la Seconde Guerre mondiale , deux possibilités distinctes ont émergé. L'un était Fred Hoyle de modèle de l'état d'équilibre, laquelle nouvelle question serait créé l'Univers semblait se étendre. Dans ce modèle, l'Univers est à peu près le même à ne importe quel point dans le temps. L'autre était la théorie du Big Bang de Lemaître, préconisé et développé par George Gamow, qui a présenté big bang nucléosynthèse (BBN) et dont les associés, Ralph Alpher et Robert Herman, a prédit le fond diffus cosmologique rayonnement (CMB). Ironiquement, ce est Hoyle qui a inventé l'expression qui est venu à être appliqué à la théorie de Lemaître, se référant à lui comme "cette grande idée bang" au cours d'une BBC Radio diffusée en Mars 1949. Pour un certain temps, un soutien a été divisée entre ces deux théories. Finalement, la preuve d'observation, notamment de la radio nombre de sources, ont commencé à favoriser Big Bang sur l'état d'équilibre. La découverte et la confirmation du fond diffus cosmologique rayonnement fixés en 1964 le Big Bang comme la meilleure théorie de l'origine et de l'évolution 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 compréhension de la physique de l'Univers à plus en plus tôt fois, et concilier observations avec la théorie de base.
Des progrès significatifs dans cosmologie du Big Bang ont été accomplis depuis la fin des années 1990 en raison des progrès de la lunette de la technologie ainsi que l'analyse des données des satellites tels que COBE, le télescope spatial Hubble et WMAP. Les cosmologistes ont maintenant des mesures assez précises et exactes de la plupart des paramètres du modèle du Big Bang, et ont fait la découverte inattendue que l'expansion de l'Univers semble se accélérer.
Les données d'observation
"[L] a grande image bang est trop fermement ancrée dans les données de chaque zone à être prouvé non valide dans ses caractéristiques générales."
Les types de données d'observation les plus anciens et les plus directs sont l' expansion de Hubble type vu dans les décalages vers le rouge des galaxies, les mesures détaillées du fond diffus cosmologique , les abondances relatives des éléments lumineux produits par Big Bang nucléosynthèse, et aujourd'hui aussi la grande distribution et apparente l'évolution des galaxies prévu pour se produire en raison de la croissance de gravitation de la structure dans la théorie standard. Ceux-ci sont parfois appelés «les quatre piliers de la théorie du Big Bang".
Modèles modernes précises de la Big Bang appel à divers phénomènes physiques exotiques qui ne ont pas été observés dans des expériences de laboratoire terrestres ou incorporées dans le modèle standard de la physique des particules . Parmi ces caractéristiques, la matière noire est actuellement soumis à des enquêtes de laboratoire les plus actifs. Questions en suspens comprennent le Problème de concentration du halo et la problème de la galaxie naine matière noire froide. L'énergie sombre est aussi un domaine d'intérêt intense pour les scientifiques, mais il ne est pas clair si la détection directe de l'énergie sombre sera possible. L'inflation et baryogénèse restent caractéristiques les plus spéculatives des modèles actuels Big Bang. , Des explications quantitatives viables pour de tels phénomènes sont toujours recherchés. Ce sont actuellement problèmes non résolus de la physique.
La loi de Hubble et l'expansion de l'espace
Observations de galaxies lointaines et quasars montrent que ces objets sont décalées vers le rouge -la lumière émise par les a été déplacé vers des longueurs d'onde. Ceci peut être vu en procédant à un spectre de fréquence d'un objet et correspondant à la spectroscopie de motif raies d'émission ou raies d'absorption correspondant à des atomes des éléments chimiques qui interagissent avec la lumière. Ces décalages vers le rouge sont uniformément isotrope, répartie uniformément entre les objets observés dans toutes les directions. Si le décalage vers le rouge est interprété comme un Doppler, le décrue vitesse de l'objet peut être calculée. Pour certaines galaxies, il est possible d'estimer les distances par l'intermédiaire du Mesure des distances en astronomie. Lorsque les vitesses de récession sont tracées contre ces distances, une relation linéaire connue comme la loi de Hubble est observée:
- v = H 0 D,
où
- v est la décrue vitesse de la galaxie ou un autre objet lointain,
- D est le comobiles distance à l'objet, et
- H 0 est la constante de Hubble , mesurée à 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 donné la Copernicienne principe ou l'Univers est étendre uniformément partout. Cette expansion universelle a été prédite à partir de la relativité générale par Alexander Friedmann en 1922 et Georges Lemaître en 1927, bien avant Hubble a fait son analyse 1929 et observations, et il reste la pierre angulaire de la théorie du Big Bang tel que développé par Friedmann, Lemaître, Robertson et Walker.
La théorie nécessite la relation v = HD à maintenir en tout temps, où D est la comobiles la distance, v est la vitesse de récession, et v, H et D varient que les dilate Univers (d'où nous écrivons H 0 pour désigner l'actuelle Hubble "constant"). Pour des distances beaucoup plus petits que la taille de l' Univers observable , le redshift Hubble peut être considéré comme le décalage Doppler correspondant à la vitesse de récession v. Cependant, le décalage vers le rouge ne est pas un vrai décalage Doppler, mais plutôt le résultat de l'expansion de l'univers entre le moment où la lumière a été émise et le moment où il a été détecté.
Que espace est en expansion métrique est indiqué par des données d'observation directe de la Principe cosmologique et le principe de Copernic, qui, avec la loi de Hubble ont pas d'autre explication. Astronomiques décalages vers le rouge sont extrêmement et isotrope homogène, en soutenant le principe cosmologique que l'Univers semble le même dans toutes les directions, avec beaucoup d'autres éléments de preuve. Si les décalages vers le rouge ont été le résultat d'une explosion dans un centre éloigné de nous, ils ne seraient pas si semblables dans des directions différentes.
Les mesures des effets de la micro-ondes rayonnement cosmique de fond sur la dynamique des systèmes astrophysiques lointains en 2000 ont prouvé le principe de Copernic, que, sur une échelle cosmologique, la Terre ne est pas dans une position centrale. Rayonnement du Big Bang ne était manifestement plus chaud parfois antérieures à travers l'Univers. Refroidissement uniforme du fond cosmique micro-ondes sur des milliards d'années est explicable que si l'Univers connaît une expansion métrique, et exclut la possibilité que nous sommes près du centre unique d'une explosion.
Fond diffus cosmologique rayonnement
En 1964, Arno Penzias et Robert Wilson par hasard découvert le rayonnement cosmique de fond, un signal omnidirectionnel dans le bande de micro-ondes. Leur découverte a fourni la confirmation substantielle des prévisions générales CMB: le rayonnement a été jugée compatible avec un presque parfait spectre du corps noir dans toutes les directions; ce spectre a été décalée vers le rouge par l'expansion de l'univers, et aujourd'hui correspond à environ 2,725 K. Ce fait pencher la balance de la preuve en faveur du modèle du Big Bang, et Penzias et Wilson ont obtenu un Prix Nobel en 1978.
La surface de dernière diffusion correspondant à l'émission du CMB se produit peu de temps après recombinaison, l'époque où l'hydrogène neutre devient stable. Avant cela, l'univers composé dense photons-baryons plasma mer chaude où les photons ont été rapidement diffusée par les particules chargées libres. Culminant à 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 lancé le Cosmic Background Explorer satellite (COBE). Ses résultats étaient cohérents avec les prédictions concernant la CMB, de trouver une température résiduelle de 2,726 K (mesures plus récentes ont révisé ce chiffre en légère baisse à 2,725 K) et de fournir la première preuve de fluctuations (anisotropies) dans le CMB, à un niveau d'environ une partie sur 10 5. John C. Mather et George Smoot ont reçu le prix Nobel pour leur leadership dans ce travail. Au cours de la décennie suivante, anisotropies du CMB ont encore été étudiés par un grand nombre d'expériences au sol et de ballons. En 2000-2001 plusieurs expériences, notamment BOOMERanG, trouvé le forme de l'Univers pour être spatialement presque plat en mesurant la taille angulaire typique (de la taille sur le ciel) des anisotropies.
Au début de 2003 les premiers résultats de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ont été libérés, ce qui donne ce était au moment des valeurs les plus précises pour certains des paramètres cosmologiques. Les résultats spécifiques réfutées plusieurs inflation cosmiques modèles, mais sont compatibles avec la théorie de l'inflation en général. Le Sonde spatiale Planck a été lancé en mai 2009. Autres au sol et le ballon micro-ondes cosmiques expériences de fond sont en cours.
Abondance des éléments primordiaux
En utilisant le modèle Big Bang il est possible de calculer la concentration de hélium-4, hélium-3, deutérium, et lithium-7 dans l'Univers sous forme de rapports à la quantité d'hydrogène ordinaire. Les abondances relatives dépendent d'un seul paramètre, le rapport des photons à baryons. Cette valeur peut être calculée indépendamment de la structure détaillée de CMB fluctuations. Les ratios prévus (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 mesurées conviennent tout au moins à peu près avec ceux prédits à partir d'une seule valeur du rapport baryon-à-photon. L'accord est excellent pour le deutérium, proche mais formellement discordants pour 4 Il, et désactivé par un facteur de deux 7 Li; dans ces deux derniers cas, il existe substantielle incertitudes systématiques. Néanmoins, la cohérence générale avec abondances prédites par Big Bang nucléosynthèse existe des preuves solides pour le Big Bang, la théorie est la seule explication connue pour l'abondance relative d'éléments légers, et il est pratiquement impossible de "tune" le Big Bang pour produire plus ou moins de 20 à 30% d'hélium. En effet il n'y a pas de raison évidente à l'extérieur du Big Bang qui, par exemple, le jeune Univers (ce est à dire, avant la formation des étoiles, tel que déterminé par l'étude de la matière soi-disant libre produits de la nucléosynthèse stellaire) devraient avoir plus d'hélium que le deutérium ou plusieurs de deutérium que 3 He, et des rapports constants, aussi.
Évolution et la répartition Galactic
Des observations détaillées de la morphologie et la distribution des galaxies et quasars sont en accord avec l'état actuel de la théorie du Big Bang. Une combinaison d'observations et la théorie suggèrent que les premiers quasars et galaxies se sont formées autour d'un milliard d'années après le Big Bang, et puisque les structures plus grandes, puis ont formé, comme les amas de galaxies et superamas. Les populations d'étoiles ont été vieillissent et évolution, de sorte que les galaxies lointaines (qui sont observés comme ils étaient dans l'Univers) apparaissent très différente de galaxies proches (observés dans un état plus récente). En outre, les galaxies qui se sont formées relativement récemment apparaissent nettement différente de galaxies formées à des distances similaires, mais peu de temps après le Big Bang. Ces observations sont de solides arguments contre le modèle état stationnaire. Observations de la formation des étoiles, 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 à remplir les détails de la théorie.
Nuages de gaz primordial
En 2011 les astronomes ont trouvé ce qu'ils croient être des nuages de gaz primordial immaculées, en analysant les raies d'absorption dans les spectres des quasars lointains. Avant cette découverte, tous les autres objets astronomiques ont été observés pour contenir les éléments lourds qui se forment dans les étoiles. Ces deux nuages de gaz contiennent pas d'éléments plus lourds que l'hydrogène et le deutérium. Depuis les nuages de gaz ont pas d'éléments lourds, ils probablement formé dans les premières minutes après le Big Bang, au cours Nucléosynthèse 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 antimatière. 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 matière 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 ΛCDM 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.
