Что такое космология?
В этом разделе мы сосредоточимся на определении космологии и некоторых ее основных целях и характеристиках.

Начнем с определения: космология - это раздел астрофизики, посвященный изучению эволюции Вселенной с целью определения ее прошлого и будущего. Это в основном теоретическая дисциплина, но, как и все научные отрасли, в значительной степени опирается на данные наблюдений.

Вот некоторые из основных характеристик космологии:

Он основан на измерениях, выполненных в малом и большом масштабе, но в основном используется для прогнозирования поведения крупномасштабных структур.

Поскольку космология является разделом физики, она не позволяет нам исследовать самые ранние стадии Вселенной, поскольку современные теории утверждают, что физика не описывает эти ранние стадии.

Поскольку космология имеет дело с крупномасштабными явлениями, она применяет глубоко упрощенную трактовку Вселенной. Например, он рассматривает галактики как массовое образование, а не определяет каждую звезду, планету и т. Д., Которые образуют галактику.

Поскольку ранняя космология предполагает изучение Вселенной в критических условиях, ей нужна квантовая физика для описания этих первых этапов. Этим занимается дисциплина, называемая квантовой космологией.

Космология описывает эволюцию Вселенной. Наряду с тем фактом, что космология в конечном итоге описывает геометрию Вселенной, она также очень сильно опирается на общую теорию относительности Эйнштейна, потому что основной силой в межпланетном масштабе является гравитация.

Космологическое красное смещение: эффект Доплера
Эффект Доплера - это изменение частоты волны, воспринимаемой наблюдателем, относительно ее фактической частоты из-за движения ее источника. Хорошим примером является звук машины скорой помощи: по мере приближения к нам он постепенно становится более высоким, но, как только он проходит мимо нас, он постепенно снова становится более низким.

Другой набор измерений был выполнен Эдвином Хабблом, который в 1929 году опубликовал наблюдение о том, что из 24 внегалактических туманностей большинство демонстрируют красное смещение спектра, что означает, что они удаляются от Земли. Это предположило, что большинство астрономических тел отодвинулись от нас, и после рассмотрения многих теорий и объяснений, включая вклад общей теории относительности, широко принятой гипотезой стало то, что Вселенная расширяется.

Затем Хаббл предложил так называемый закон Хаббла, который гласит, что скорость, с которой галактики удаляются от Земли из-за расширения Вселенной, пропорциональна расстоянию Земли до нее.

Формула: v=Ho*d

Здесь v это скорость, с которой тело удаляется от земли, d это расстояние от земли и H0 это постоянная Хаббла, фактическое значение которой близко к 70 [км / с * Мпк].

Если этот уровень расширения был примерно одинаковым повсюду (что, как мы думаем, так и есть), это означает, что Вселенная когда-то начиналась как небольшое образование, которое с тех пор расширяется, что приводит к хорошо известному понятию Большого взрыва.

Еще одним интересным следствием расширения Вселенной является следующее: поскольку свет является самым быстро распространяющимся объектом во Вселенной со скоростью, которая конечна, измерение светового излучения тела эквивалентно получению информации из его прошлого, особенно в астрономических масштабах. Хорошо известный пример - Солнце: свету требуется около восьми минут, чтобы преодолеть расстояние между солнцем и землей, а это значит, что, если бы солнце внезапно стало зеленым, мы бы не заметили в течение восьми минут.

Это представление о свете как информации о прошлом тесно связано с красным смещением. Поскольку из-за закона Хаббла удаленные объекты удаляются быстрее, у них большее красное смещение, и время, необходимое для того, чтобы их излучение достигло нас, больше. Другими словами, чем больше красное смещение, тем старше (в истории Вселенной) информация, которую мы получаем от этого объекта. Таким образом, мы обнаруживаем, что астрофизики, ищущие объекты с высоким красным смещением, эквивалентны астрофизикам, пытающимся исследовать первые этапы Вселенной.

Примеры, относящиеся к космологии и астрономии
Теперь мы рассмотрим пару примеров астрономических объектов, квазаров и экзопланет, обнаружение и измерения которых тесно связаны с космологией.

Квазары
Квазары - это очень яркие объекты, которые были обнаружены в 20 веке. Учитывая их интенсивную яркость, они считались очень массивными звездами, но, как только мы получили более точные измерения, было обнаружено, что это разные астрономические объекты. Название "квазар" является сокращением термина "квазизвездный", то есть почти звезда. Мы собираемся изучить их основные характеристики и роль, которую они играют в космологии.

Квазары - это очень яркие объекты, которые имеют более высокую светимость, чем целые галактики. Это было первое открытие, которое показало, что это не звезды.
С другой стороны, квазары являются относительно небольшими объектами, учитывая их светимость. Обычно размер галактики примерно в 100 000 раз больше размера квазара.

Самое интересное, что спектры квазаров имеют экстремальное красное смещение. Как мы уже обсуждали, это означает, что они являются объектами, из которых мы можем извлечь информацию о ранней Вселенной.

Их особые свойства и другие характеристики излучения, такие как огромный источник радиоизлучения, десятилетиями интриговали научное сообщество. В настоящее время считается, что эти объекты являются ядрами галактик, которые, скорее всего, питаются сверхмассивными черными дырами. Их исследование предоставляет много информации об условиях ранней Вселенной, которые позволили создать эти странные объекты.

Экзопланеты
Хотя это и не является основным столпом космологии, астрофизики и астрономы постоянно ищут экзопланеты как возможные места, где мы могли бы найти формы жизни за пределами Земли. Помимо изучения наличия воды, атмосферы, близости к звезде и т. Д., Большая трудность заключается в том, что планеты не такие яркие, как звезды. Это чрезвычайно затрудняет обнаружение экзопланет.

Однако были разработаны некоторые методы, с помощью которых каждый год обнаруживаются сотни и тысячи экзопланет. В этих методах используются методы, аналогичные тем, которые используются космологами, и они снова являются экспериментальными лабораториями для исследования ранней Вселенной. Два из этих методов обнаружения:

Метод радиальной скорости: по сути, он основан на том факте, что спектр звезды может быть искажен небольшим притяжением соседней планеты. Опять же, нужно проанализировать спектр излучения, учесть эффект Доплера и т. Д.

Метод транзита: этот метод имеет определенную предвзятость, но все же оказался весьма полезным. Анализируя излучение звезды, можно наблюдать некоторые изменения интенсивности, которые могут быть вызваны тем, что планета вращается вокруг нее и оказывается между звездой и телескопом, проводящим измерения. Поэтому, точно измеряя и изучая закономерности изменения звезды, мы можем обнаружить присутствие экзопланеты.

Космология - основные выводы
Космология - это изучение прошлого и будущего Вселенной. Он изучает Вселенную в больших масштабах.
Космологический принцип является краеугольным камнем космологии, который гарантирует, что нам не нужно беспокоиться о предвзятости из-за места Земли во Вселенной.
Эффект Доплера является фундаментальной особенностью измерений в астрофизике. Из-за расширения Вселенной она оказалась мерой возраста астрономических объектов.
Вселенная расширяется. Чтобы понять ее историю и основные характеристики, мы должны изучить множество различных тел в космическом пространстве, таких как квазары или экзопланеты.