universo

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Hubble campo ultra profondo.jpg
L'immagine Hubble Ultra Deep Field offre una visione molto profonda dell'universo. (La foto comprende un angolo solido che corrisponde approssimativamente alla 150° parte del disco lunare medio .)
Proprietà fisiche (relative all'universo osservabile )
raggio > 45  miliardi di  lire
Massa (visibile) circa 10 53  kg
Media densità circa 4,7 · 10 −30  g / cm 3
età 13,81 ± 0,04 miliardi di  anni
Numero di galassie circa 2 trilioni
Temperatura di radiazione di fondo 2,725 ± 0,002  K
Struttura dell'universo

L' universo (dal latino universus 'totale' ), chiamato anche cosmo o universo , è la totalità dello spazio, del tempo e di tutta la materia e l'energia in esso contenute. L' universo osservabile , invece, è limitato alla disposizione trovata di tutta la materia e l' energia , a partire dalle particelle elementari fino alle strutture a larga scala come le galassie e gli ammassi di galassie .

La Cosmologia , una branca sia della fisica che dell'attuale filosofia della scienza , si occupa dello studio dell'universo e cerca proprietà, come la questione dell'universo messo a punto, a cui rispondere.

La teoria generalmente accettata oggi per descrivere la struttura su larga scala dell'universo è il modello standard della cosmologia . Si basa sulla teoria della relatività generale in combinazione con osservazioni astronomiche. La fisica quantistica deve comprendere importanti contributi soprattutto nell'universo primordiale il tempo subito dopo il Big Bang in cui la densità e la temperatura erano molto elevate. Probabilmente non sarà possibile ottenere una comprensione più ampia dell'universo finché la fisica non svilupperà una teoria che combini la relatività generale con la fisica quantistica. Questa teoria della gravità quantistica chiamata "Teoria del tutto" o formula del mondo ha lo scopo di spiegare le quattro forze fondamentali della fisica in modo uniforme.

Origine delle denominazioni

La parola "Universum" è stata tradotta in tedesco da Philipp von Zesen nel 17° secolo con la parola "Weltall". Mentre l'universo o lo spazio racchiude tutto, il termine spazio si riferisce solo allo spazio al di fuori dell'atmosfera terrestre e al di fuori delle atmosfere di altri corpi celesti, in cui c'è quasi un vuoto . Colloquialmente, "Weltall" o "All" viene utilizzato anche con il significato di "Spazio".

Il termine "cosmo" è preso in prestito dal greco antico κόσμος "ordine" ed esprime oltre al termine "universo" che l'universo è in uno stato "ordinato", come controtermine al caos . È attestato dal 19° secolo ed è la parola radice per cosmonauta , il nome per i viaggiatori spaziali sovietici o russi.

Età e composizione

La Galassia di Andromeda , la galassia più grande più vicina a noi

La classica e ormai ampiamente riconosciuta teoria del Big Bang presuppone che l'universo sia emerso da una singolarità in un certo momento, il Big Bang , e da allora si sia espanso ( vedi espansione dell'universo ). Tempo, spazio e materia sono nati con il Big Bang. I tempi "prima" del Big Bang e i luoghi "fuori" dall'universo non possono essere definiti fisicamente. Quindi in fisica non c'è né un “fuori” spaziale né un “davanti” temporale né una causa dell'universo.

A rigor di termini, la teoria non descrive il processo effettivo perché le leggi scientifiche per le condizioni estreme non sono note durante i primi 10 −43  secondi ( tempo di Planck ) dopo il Big Bang. Solo dopo che è trascorso il tempo di Planck è possibile tracciare fisicamente gli ulteriori processi. Quindi l'universo primordiale z. B. assegnare una temperatura di 1,4 · 10 32  K ( temperatura di Planck ).

L'età dell'universo è misurata in modo molto preciso grazie alle misurazioni di precisione del telescopio spaziale Planck : 13,81 ± 0,04 miliardi di anni. Una precedente determinazione dell'età da parte del satellite WMAP ha dato il risultato un po' meno preciso di 13,7 miliardi di anni. L'età può anche essere calcolata estrapolando dall'attuale velocità di espansione dell'universo al momento in cui l'universo è stato compresso in un punto. Tuttavia, questo calcolo dipende molto dalla composizione dell'universo, poiché la materia o l' energia rallentano l'espansione per gravità. L' energia oscura , finora provata solo indirettamente, può però anche accelerare l'espansione. Diverse ipotesi sulla composizione dell'universo possono portare a diverse età. Un limite inferiore per l'età dell'universo può essere dato dall'età delle stelle più antiche. Nell'attuale modello standard, i risultati di questi metodi concordano molto bene.

La nebulosa tarantola

Tutti i calcoli per l'età dell'universo presuppongono che il big bang possa effettivamente essere considerato come l'inizio dell'universo nel tempo, il che non è certo per lo stato immediatamente successivo all'inizio del big bang a causa dell'ignoranza delle leggi fisiche. Si può escludere un universo statico infinitamente vecchio e infinitamente grande, ma non un universo dinamico, infinitamente grande. Ciò è dovuto, tra le altre cose, all'espansione osservata dell'universo . Inoltre, già l' astronomo Heinrich Wilhelm Olbers faceva notare che con un'espansione infinita e un'età infinita di un universo statico, il cielo notturno dovrebbe risplendere brillantemente ( paradosso di Olbers ), poiché ogni sguardo rivolto al cielo cadrebbe automaticamente su una stella . Se l'universo è infinitamente grande, ma ha solo un'età finita, la luce di certe stelle semplicemente non ci ha ancora raggiunto.

Lo spazio tra le galassie non è completamente vuoto, ma contiene non solo stelle e nubi di polvere, ma anche gas idrogeno . Questo mezzo intergalattico ha una densità di circa un atomo per metro cubo. All'interno delle galassie, invece, la densità della materia è molto più alta. Allo stesso modo, lo spazio è intervallato da campi e radiazioni . La temperatura della radiazione di fondo è di 2,7  Kelvin (circa -270 ° C). È stato creato 380.000 anni dopo il Big Bang. L'universo è costituito solo in minima parte da materia ed energia note (5%), di cui solo il 10% emette luce ed è quindi visibile. Una parte maggiore (27%) è costituita da materia oscura . La materia oscura è stata rilevata indirettamente da un gran numero di osservazioni, ma la sua composizione non è ancora ampiamente compresa. La maggior parte è energia oscura (68%) responsabile dell'espansione accelerata. L'energia oscura è stata dedotta dai dati di lontane esplosioni di supernova, la sua esistenza è confermata da satelliti come COBE , WMAP e Planck , esperimenti di palloncini come BOOMERanG così come effetti di lenti gravitazionali e la distribuzione delle galassie nell'universo.

Forma e volume

Video: che forma ha l'universo?

Intuitivamente, si assume che una “forma sferica” dell'universo derivi dalla teoria del big bang ; tuttavia, questa è solo una delle numerose possibilità. Oltre ad un universo piatto, infinito, sono state proposte molte altre forme, tra cui, ad esempio, una forma di ipertoro , o le forme che sono diventate note nelle pubblicazioni scientifiche popolari come la " forma di calcio" ( dodecaedro ) e la "forma di tromba". . Alcuni dati del satellite WMAP suggeriscono anche che l'universo sia un ellissoide .

Nel modello standard CDM (CDM da C vecchio D arca M atter, "materia oscura fredda"), e il più recente modello standard Lambda CDM , che tiene conto l'accelerazione misurata dell'espansione dell'universo, l'universo è piatto; cioè, lo spazio è descritto dalla geometria euclidea . Un tale universo non deve necessariamente avere un volume infinito, poiché sono possibili anche topologie compatte per lo spazio. Sulla base delle osservazioni disponibili, è possibile fornire solo un limite inferiore approssimativo per l'estensione dell'universo. Secondo Neil J. Cornish della Montana State University , i dati del satellite WMAP mostrano che, secondo la maggior parte dei modelli, l'universo deve avere un diametro di almeno 78 miliardi di anni luce . Nel modello standard Lambda CDM, quindi, viene solitamente considerata una geometria piana con dimensioni infinite.

I segnali televisivi trasmessi dalla terra non raggiungono mai il bordo di questa immagine.

Lo sfondo della dimensione minima calcolata è che non è stato possibile misurare una curvatura dell'universo. L'imprecisione della misurazione è relativamente grande al 2%. Se si assume che questa imprecisione di misurazione porti ad una curvatura dell'universo di un massimo del 2%, allora l'universo potrebbe essere ricurvo su se stesso. Tuttavia, la curvatura potrebbe effettivamente essere zero oppure potrebbe assumere un valore compreso tra zero e la massima curvatura concepibile. Nel primo caso l'universo sarebbe infinitamente grande, nel secondo sarebbe più grande di 78 miliardi di anni luce.

Poiché l'universo ha 13,8 miliardi di anni, si possono percepire solo oggetti la cui luce è stata emessa a una distanza massima di 13,8 miliardi di anni luce. Questo è l' universo osservabile . Poiché lo spazio si è notevolmente espanso negli ultimi 13,8 miliardi di anni, i luoghi da cui gli oggetti emettevano luce 13,8 miliardi di anni fa sono ora distanti più di 45 miliardi di anni luce. Gli oggetti stessi possono essersi allontanati ulteriormente da questi luoghi in un periodo di 13,8 miliardi di anni a causa del loro stesso movimento nello spazio.

La differenza tra infinito e infinito è importante: anche se l'universo avesse un volume finito, potrebbe essere illimitato. Questo modello può essere illustrato chiaramente come segue: Una superficie sferica (sfera) è finita, ma non ha centro su questa superficie ed è illimitata (ci si può muovere su di essa senza mai raggiungere un bordo). Proprio come una superficie sferica bidimensionale avvolge una sfera tridimensionale, si può, se l'universo non è piatto ma curvo, immaginare lo spazio tridimensionale come la superficie di uno spazio a più dimensioni. Intendiamoci, questo è solo a scopo illustrativo, perché nella cosmologia classica l'universo non è incorporato in uno spazio di dimensioni superiori.

Relazione tra densità di massa, geometria locale e forma

Sebbene la geometria locale dello spaziotempo sia molto vicina a una geometria euclidea , non è esclusa anche una geometria sferica o iperbolica . Poiché la geometria locale è legata alla forma globale ( topologia ) e al volume dell'universo, in ultima analisi non è nemmeno noto se il volume è finito (in termini matematici: uno spazio topologico compatto ) o se l'universo ha un volume infinito. Secondo le equazioni di Friedmann , che descrivono lo sviluppo dell'universo nel modello standard del Big Bang, quali geometrie e forme sono possibili per l'universo dipende essenzialmente dalla densità di energia o dalla densità di massa nell'universo:

  • Se questa densità è inferiore a un certo valore chiamato densità critica, la geometria globale è detta iperbolica, poiché può essere vista come l'analogo tridimensionale di una superficie iperbolica bidimensionale. Un universo iperbolico è aperto; Cioè, un dato elemento di volume all'interno dell'universo continua ad espandersi senza mai fermarsi. Il volume totale di un universo iperbolico può essere sia infinito che finito.
  • Se la densità di energia è esattamente la stessa della densità critica, la geometria dell'universo è piatta. Il volume totale di un universo piatto è nel caso più semplice, se si prende uno spazio euclideo come topologia più semplice, infinito. Tuttavia, le topologie con un volume di spazio finito possono anche essere conciliate con un universo piatto. Ad esempio, un ipertoro è possibile come forma. Un universo piatto, come l'universo iperbolico, è aperto, quindi un dato elemento di volume continua ad espandersi. La sua espansione rallenta notevolmente, così che dopo un tempo infinito si raggiunge un'espansione finita.
  • Se la densità di energia è maggiore della densità critica, l'universo è chiamato "sferico". Il volume di un universo sferico è finito. In contrasto con gli universi piatto e iperbolico, l'espansione dell'universo si ferma ad un certo punto e poi si inverte. L'universo "collassa" di nuovo.

Gli attuali dati di osservazione astronomica non consentono di distinguere l'universo da un universo piatto. La densità energetica dell'universo finora misurata è così vicina alla densità critica che gli errori sperimentali non consentono di differenziare i tre casi fondamentali.

L'energia oscura continua a influenzare le proprietà di espansione dell'universo. Una grande proporzione di energia oscura significa che un universo sferico non collassa o che un universo piatto continua ad accelerare. Alcune forme di energia oscura possono persino far sì che l'universo si espanda localmente più velocemente della velocità della luce e quindi venga lacerato in un grande squarcio, poiché le interazioni tra le particelle non possono più aver luogo.

Conseguenze di un volume spazio-temporale infinito

L'ipotesi di un universo con un volume spazio-temporale infinito solleva alcuni interrogativi sulle conseguenze epistemologiche di tale assunzione. Il principio antropico gioca qui un ruolo particolarmente importante, poiché è ad es. B. è stato formulato da Brandon Carter . In base a ciò - nell'interpretazione più attenta - si deve tener conto almeno della necessità dell'esistenza di un osservatore nell'interpretazione dei dati astronomici; D. cioè, i dati osservativi non sono necessariamente rappresentativi dell'intero universo.

Esempi di conclusioni che ne sono state tratte in varie occasioni sono, ad esempio, che un universo localmente apparentemente favorevole alla vita può nel complesso essere estremamente ostile alla vita o che eventi anche estremamente improbabili ma possibili dovrebbero verificarsi infinitamente spesso in tali un universo. In tempi recenti, tra l'altro. Il fisico Max Tegmark sostiene che l'attuale modello standard dell'universo, insieme alla teoria quantistica, implica che in media ogni metro debba esistere un “mondo gemello”. Le argomentazioni fornite da Tegmark si applicano anche a un universo con volume finito, ma sufficientemente grande. Questi argomenti, così come le conclusioni, sono tuttavia controversi. B. nella pubblicazione About the Infinite Repetition of Histories in Space con la frase " questi scenari rimangono non più che racconti letterari ".

Strutture all'interno dell'universo

Sulla più grande scala osservabile, si trovano ammassi di galassie che si uniscono per formare superammassi ancora più grandi . Questi a loro volta formano filamenti filiformi che si estendono su enormi cavità simili a bolle, praticamente prive di galassie ( Vuoti , vuoto = vuoto). A volte si parla della struttura a nido d'ape ( rete cosmica ) dell'universo. La seguente classifica risulta dalle strutture più grandi a quelle più piccole dell'universo osservabile :

La Via Lattea
  1. Large Quasar Group (LQG) (es.: U1.27 , diametro: circa 4 miliardi di anni luce)
  2. Filamenti e vuoti (es. Grande Muraglia , diametro: circa 1 miliardo di anni luce)
  3. Superammassi (es. Superammassi Vergine , diametro: circa 200 milioni di anni luce)
  4. Ammassi di galassie (es. gruppo locale , diametro: circa 10 milioni di anni luce)
  5. Galassie (es. Via Lattea , diametro: circa 100.000 anni luce)
  6. Ammassi stellari ( ammassi globulari , ammassi stellari aperti , diametro: da decine a centinaia di anni luce)
  7. Sistemi planetari (es. il nostro sistema solare , diametro: circa 300  AU = 41 ore luce)
  8. Stelle ( es. sole , diametro: 1.392.500 km)
  9. Esopianeti e pianeti ( es. Terra , diametro: 12.756,2 km)
  10. Lune (ad es. diametro della luna terrestre : 3.476 km)
  11. Asteroidi , comete (diametro: da pochi chilometri a diversi 100 km)
    Cometa C / 2014 Q2 (Lovejoy)
  12. Meteoroidi (diametro: dal metro al millimetro)
  13. Particelle di polvere
  14. molecole
  15. Atomi
  16. protoni
  17. elettroni

Nota: le scale delle dimensioni sono parzialmente sovrapposte. Ad esempio, ci sono lune più grandi dei pianeti o asteroidi che sono molto più grandi di alcune lune.

Mappa degli oggetti astronomici

e visualizzare le informazioni sull'immagine
Illustrazione della relazione di distanza di vari oggetti astronomici in una rappresentazione non in scala - i corpi celesti appaiono troppo grandi, le distanze sono scalate logaritmicamente.

Guarda anche

letteratura

link internet

Commons : Universe  - raccolta di immagini, video e file audio
Wikiquote: Universo  - Citazioni
Wikizionario: Universo  - spiegazioni di significati, origini delle parole, sinonimi, traduzioni
Wikibooks: Wikijunior Solar System / Space Research  - Materiali per l'apprendimento e l'insegnamento

Video:

Evidenze individuali

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