El universo es todo lo que existe, gobernado por una serie de leyes.
La cosmología busca entender el universo desde un punto de vista científico, como todo el material distribuido en el espacio-tiempo . Por su parte, la cosmogonía pretende establecer una teoría de la creación del Universo sobre bases filosóficas o religiosas. La diferencia entre estas dos definiciones no impide que muchos físicos tengan una concepción finalista del Universo (ver sobre este tema el principio antrópico ).
Si queremos hacer coincidir el movimiento de las galaxias con las leyes físicas tal como las entendemos actualmente, podemos considerar que solo accedemos a través de la experiencia a una pequeña parte de la materia del Universo, el resto compuesto por materia oscura . Además, para explicar la aceleración de la expansión del Universo , también debemos introducir el concepto de energía oscura . Se han propuesto varios modelos alternativos para hacer coincidir las ecuaciones y nuestras observaciones mediante la adopción de otros enfoques.
Las ciencias griegas intentaron comprender el mundo y explicarlo:
La poeta y filósofa romana Lucrecia , en el siglo I a.C. J.-C, afirma en De rerum natura que "el universo existente [...] no está limitado en ninguna de sus dimensiones", que no tiene "ni límite ni medida" y qué importa "En qué región del universo nos colocamos [...] ya que permitimos que el todo inmenso se extienda igualmente en todas direcciones ".
Este conocimiento del mundo griego continuó e influyó en las ciencias árabes después del colapso del Imperio Romano Occidental. Permanecieron presentes en Oriente (particularmente, con altibajos, en Bizancio), aunque Cosmas de Alejandría intentó, sin éxito, restaurar el modelo de un mundo plano.
El renacimiento de la puerta en su apogeo esta representación del mundo, gracias a las exploraciones y los grandes descubrimientos que tuvieron lugar el XIII ª a la XVI ª siglo, de los sistemas geográficos y cosmológicas elaborada ( Mercator ).
La revolución copernicana rompe esta cosmología en tres etapas:
Se han desarrollado modelos físicos como la esfera armilar o el astrolabio . Permiten enseñar y calcular la posición de las estrellas en el cielo visible. Incluso hoy en día, la carta celeste móvil ayuda a los astrónomos aficionados a orientarse por el cielo, es una reencarnación del astrolabio.
En 1781, el astrónomo británico William Herschel descubrió que Urano orbitaba más allá de la órbita de Saturno , antes de que se encontraran Neptuno y Plutón , el mundo se hacía cada vez más grande.
Las observaciones del corrimiento al rojo de la radiación electromagnética de otras galaxias sugieren que se están alejando de nuestra galaxia, a una velocidad radial proporcional a esta distancia.
Al estudiar las galaxias cercanas, Edwin Hubble notó que la distancia de una galaxia era proporcional a su distancia del observador ( ley de Hubble ); tal ley puede explicarse por un Universo visible en expansión .
Aunque la constante de Hubble se ha revisado en el pasado en grandes proporciones (en una proporción de 10 a 1), la ley de Hubble se ha extrapolado a galaxias distantes, para las cuales la distancia no se puede calcular usando el paralaje ; por tanto, esta ley se utiliza para determinar la distancia de las galaxias más distantes.
Extrapolando la expansión del Universo en el pasado, llegamos a un momento en el que debe haber sido mucho más caliente y mucho más denso que hoy. Es el modelo Big Bang , diseñado por Georges Lemaître , un canon católico belga, que es un ingrediente esencial del modelo estándar actual de cosmología y hoy tiene un gran número de confirmaciones experimentales . La descripción del comienzo de la historia del Universo mediante este modelo, sin embargo, no comienza hasta después de haber emergido de un período llamado era de Planck , durante el cual la escala de energía del Universo era tan grande. Que el Modelo Estándar es incapaz de describir los fenómenos cuánticos que tuvieron lugar allí. Durante este tiempo, solo una teoría de la gravedad cuántica podría explicar el comportamiento microscópico de la materia bajo la fuerte influencia de la gravedad. Pero los físicos aún (en 2015) no tienen tal teoría. Por razones de coherencia con las observaciones, después de la era de Planck, el modelo del Big Bang hoy favorece la existencia de una fase de inflación cósmica , muy breve pero durante la cual el Universo habría crecido extremadamente rápido. Fue después de esta fase que la mayoría de las partículas del Universo se habrían creado a alta temperatura, desencadenando una gran cantidad de procesos importantes que finalmente dieron como resultado la emisión de una gran cantidad de luz, llamada fondo cósmico difuso , que hoy puede ser observado con gran precisión por toda una serie de instrumentos ( globos meteorológicos , sondas espaciales , radiotelescopios ).
Es la observación de este microondas radiación fósil , notablemente uniforme en todas las direcciones, lo que hoy constituye el elemento de capital que establece el Big Bang modelo como una descripción correcta del Universo en su pasado distante. Aún quedan por determinar muchos elementos del modelo (por ejemplo, el modelo que describe la fase de inflación), pero hoy en día existe un consenso de la comunidad científica en torno al modelo del Big Bang .
En el marco del modelo ΛCDM , las restricciones resultantes de las observaciones de la sonda WMAP sobre los parámetros cosmológicos indican un valor más probable para la edad del Universo en aproximadamente 13,82 mil millones de años con una incertidumbre de 0,02 mil millones de años, lo que está de acuerdo. con datos independientes de la observación de cúmulos globulares y de enanas blancas . Esta edad fue confirmada en 2013 por observaciones del satélite Planck.
Hasta la fecha, ningún dato científico nos permite decir si el Universo es finito o infinito . Algunos teóricos se inclinan por un Universo infinito, otros por un Universo finito pero ilimitado. Un ejemplo de Universo finito e ilimitado sería el espacio cerrándose sobre sí mismo. Si fuéramos directamente a este Universo, después de un viaje, ciertamente muy largo, sería posible pasar de nuevo cerca de su punto de partida.
Los artículos de investigación de cosmología populares y profesionales a menudo utilizan el término "Universo" en el sentido de " Universo observable ". El ser humano vive en el centro del Universo observable, lo que está en aparente contradicción con el principio de Copérnico que dice que el Universo es más o menos uniforme y no tiene ningún centro en particular. La paradoja se resuelve simplemente teniendo en cuenta el hecho de que la luz viaja a la misma velocidad en todas las direcciones y que su velocidad no es infinita: mirar a la distancia es mirar un evento desplazado en el pasado en el tiempo que tomó. luz para recorrer la distancia que separa al observador del fenómeno observado. Sin embargo, no es posible que veamos ningún fenómeno anterior al Big Bang . Así, los límites del Universo observable corresponden al lugar más distante del Universo para el cual la luz tardó menos de 13.82 mil millones de años en llegar al observador, lo que lo ubica inevitablemente en el centro de su Universo Observable. La primera luz emitida por el Big Bang hace 13.820 millones de años se llama " horizonte cosmológico " .
Se estima que el diámetro de este Universo observable es de 100 mil millones de años luz. Éste contiene alrededor de 7 × 10 22 estrellas, distribuidas en alrededor de 100 mil millones de galaxias, organizadas en cúmulos y supercúmulos de galaxias. Pero el número de galaxias podría ser aún mayor, dependiendo del campo profundo observado con el Telescopio Espacial Hubble . En cuanto a la cantidad de átomos contenidos en el universo, se estima en alrededor de 10 80 .
Sin embargo, es posible que el Universo observable sea solo una pequeña parte de un Universo real mucho más grande.
El universo no puede tener una "ventaja" en el sentido intuitivo de la palabra. De hecho, la existencia de borde implicaría la existencia de un exterior al Universo. Sin embargo, por definición, el Universo es el conjunto de todo lo que existe, por lo que nada puede existir fuera. Sin embargo, esto no significa que el Universo sea infinito, puede ser finito sin tener un “borde”, sin tener realmente un exterior.
Por otro lado, esto plantea la cuestión de la compatibilidad con la conservación de la energía . De hecho, la propia definición del universo lo convierte en un sistema aislado (porque si el universo U1 pudiera transferir energía con otro sistema S1, entonces el universo real sería U2 = U1 + S1). Y en un sistema aislado, no puede haber creación de energía.
Una cuestión importante en cosmología es conocer la forma del Universo .
Ahora sabemos (desde 2013) que el Universo es plano con un margen de error de solo 0,4%. Esto sugiere que el Universo es infinito en extensión . Sin embargo, debido a que la velocidad de la luz también es finita y constante en el vacío, la edad finita del Universo implica que solo un volumen finito del Universo es accesible a la observación directa desde la Tierra; luego hablamos del Universo observable . Todo lo que realmente podemos concluir es que el Universo es mucho más grande que el volumen que podemos observar directamente.
Según las predicciones del modelo cosmológico más aceptado en la actualidad, los “objetos galácticos” tendrán un final: es la muerte térmica del Universo . El Sol , por ejemplo, se apagará en 5 (a 7) mil millones de años, cuando haya consumido todo su combustible. En última instancia, las otras estrellas también evolucionarán en cataclismos cosmológicos (explosiones, colapsos). Los nacimientos de estrellas ya se están ralentizando por falta de material, que se vuelve escaso con el tiempo. En unos 20 mil millones de años, no se encenderá ninguna estrella. El Universo estará poblado de estrellas extintas (estrellas de neutrones , enanas blancas , agujeros negros ) y enanas rojas residuales. En períodos de tiempo mucho más largos, las galaxias se desintegrarán en colisiones gigantes a través de sus interacciones gravitacionales internas y externas.
Con respecto al contenedor ("espacio"), algunos físicos Creen que el proceso de expansión se ralentizará gravitacionalmente y se revertirá en el escenario del Big Crunch . Para otros , La expansión, que ahora parece estancada, se detendrá para siempre. Poco a poco, las estrellas extintas se aglutinarán en agujeros negros . El Universo, sin estructura alguna, no será más que un baño de fotones cada vez más fríos. Toda actividad en el Universo se extinguirá así para siempre: este es el Gran Frío . Existe un escenario similar: el Big Chill modificado . La gravedad y la energía oscura permanecen constantes pero tienden a acelerarse. El universo sufrirá el Gran Enfriamiento, pero la expansión continuará de manera estable y cesará toda actividad. Las galaxias se fusionarán y luego morirán gradualmente. Si, por el contrario, la cantidad de energía oscura aumenta, el Universo continuará su expansión a una velocidad cada vez mayor para explotar a todas las escalas: toda la materia que lo compone (incluidos los átomos ) será desgarrada por la expansión del espacio. Y el tiempo mismo será destruido. Este es el Big Rip (literalmente: "gran desamor"). Algunos modelos predicen tal fin en 22 mil millones de años.
Por lo tanto, cada uno de estos escenarios depende de cuánta energía oscura contendrá el Universo en un momento dado. Actualmente, el estado del conocimiento sugiere no solo que no hay suficiente masa y energía para causar este Big Rip , sino que la expansión del Universo parece estar acelerándose y por lo tanto continuará por siempre.