Физическая космология

Физическая космология (естественная космология, физика Вселенной) — это область физических наук, занимающаяся изучением и описанием Вселенной в самых больших её масштабах, её происхождением, эволюцией до текущего состояния и будущим.

История

Предмет исследования

Предметом исследования физической космологии является описание Вселенной в больших масштабах: расстояния чаще всего измеряются в парсеках, а массы — в массах Солнца. Эта концепция предполагает, что ничего, кроме Вселенной, не существует, это изолированная физическая система, эволюция которой зависит от взаимодействия её компонентов. Из четырёх основных физических взаимодействий на больших расстояниях действует только гравитация. Поэтому эволюция Вселенной в больших масштабах зависит только от гравитационного взаимодействия.

Гравитация описывается в общей теории относительности уравнением Эйнштейна:

R μ ν − 1 2 g μ ν R + Λ g μ ν = − 8 π c 4 G T μ ν {displaystyle R_{mu u }-{frac {1}{2}}g_{mu u }R+Lambda g_{mu u }=-{frac {8pi }{c^{4}}}GT_{mu u }} ,

где Λ — космологическая постоянная. От её значения (правильнее — от её влияния на критическую плотность) зависит будущее Вселенной.

Примечание: Критическая плотность — это средняя плотность материи, которую бы имела Вселенная с нулевой кривизной. Она вычисляется по формуле:

ρ k r = 3 H 0 2 8 π G = 1 , 88 ⋅ 10 − 26 h 2 k g / m 3 , {displaystyle ho _{kr}={frac {3H_{0}^{2}}{8pi G}}=1{,}88cdot 10^{-26};h^{2};mathrm {kg/m^{3}} ,} ,

где H0 — постоянная Хаббла, G — постоянная Ньютона, а h = H0/(100 км с−1 Mpc−1).

Если h = 0,73, критическая плотность = 10-29г/см³.

В моделях Фридмана с нулевой космологической постоянной вселенная с плотностью ниже критической имеет отрицательную кривизну и гиперболическую геометрию, вселенная с плотностью, превышающей критическую, имеет положительную кривизну и сферическую геометрию.

В единицах критической плотности приводится один из важнейших космологических параметров — параметр плотности различных типов вещества и энергии Ω m = ρ m / ρ c ≃ 0,315 {displaystyle Omega _{m}= ho _{m}/ ho _{c}simeq 0{,}315} .

С помощью космологических наблюдений изучаются четыре модели Вселенной: темная энергия, темная материя, нейтрино и инфляционная теория Вселенной.

Исследования в физической космологии основаны на определённых предположениях:

• космологический принцип — Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна
• принцип экстраполяции — физическая космология описывает всю Вселенную, то есть она одинакова в каждой из её областей
• гравитация является основной силой во Вселенной, и свойства барионов не принимаются в расчёт
• гравитация описывается общей теорией относительности