universo

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Hubble ultra deep field.jpg
A imagem do Hubble Ultra Deep Field oferece uma visão muito profunda do universo. (A foto abrange um ângulo sólido que corresponde aproximadamente à 150ª parte do disco lunar médio .)
Propriedades físicas (relacionadas ao universo observável )
raio > 45  bilhões  ly
Massa (visível) aprox. 10 53  kg
Densidade média aprox. 4,7 · 10 −30  g / cm 3
era 13,81 ± 0,04 bilhões de  anos
Número de galáxias aproximadamente 2 trilhões
Temperatura de radiação de fundo 2,725 ± 0,002  K
Estrutura do universo

O universo (do latim universus 'total' ), também chamado de cosmos ou universo , é a totalidade do espaço, do tempo e de toda matéria e energia nele. O universo observável , por outro lado, é limitado ao arranjo encontrado de toda matéria e energia , começando com as partículas elementares até as estruturas de grande escala, como galáxias e aglomerados de galáxias .

A Cosmologia , um ramo da física e da atual filosofia da ciência , lida com o estudo do universo e tenta propriedades, como a questão do universo bem ajustado para responder.

A teoria geralmente aceita hoje para descrever a estrutura em grande escala do universo é o modelo padrão da cosmologia . É baseado na teoria geral da relatividade em combinação com observações astronômicas. A física quântica tem que entender contribuições importantes, especialmente no início do universo, logo após o surgimento do Big Bang , em que a densidade e a temperatura eram muito altas. Uma compreensão expandida do universo provavelmente não será alcançada até que a física desenvolva uma teoria que combine a relatividade geral com a física quântica. Esta teoria da gravidade quântica chamada de “Teoria de Tudo” ou fórmula do mundo tem como objetivo explicar as quatro forças básicas da física de uma maneira uniforme.

Origem das designações

A palavra “Universum” foi traduzida para o alemão por Philipp von Zesen no século 17 com a palavra “Weltall”. Enquanto o universo ou espaço engloba tudo, o termo espaço se refere apenas ao espaço fora da atmosfera terrestre e fora da atmosfera de outros corpos celestes, no qual existe quase um vácuo . Coloquialmente, “Weltall” ou “All” também é usado com o significado de “Espaço”.

O termo “cosmos” é emprestado do grego antigo κόσμος “ordem” e expressa, além do termo “universo”, que o universo está em um estado “ordenado”, como um contra-termo ao caos . Foi atestado desde o século 19 e é a palavra raiz para cosmonauta , o nome dos viajantes espaciais soviéticos ou russos.

Idade e composição

A Galáxia de Andrômeda , a galáxia maior mais próxima de nós

A clássica e agora amplamente reconhecida teoria do Big Bang assume que o universo emergiu de uma singularidade em um determinado momento, o Big Bang , e se expandiu desde então ( veja a expansão do universo ). Tempo, espaço e matéria surgiram com o Big Bang. Tempos “antes” do Big Bang e lugares “fora” do universo não podem ser definidos fisicamente. Portanto, na física não existe um “fora” espacial, nem um “na frente de” temporal, nem uma causa do universo.

Estritamente falando, a teoria não descreve o processo real porque as leis científicas para as condições extremas não são conhecidas durante os primeiros 10-43  segundos ( tempo de Planck ) após o Big Bang. Somente depois de decorrido o tempo de Planck, os demais processos podem ser rastreados fisicamente. Portanto, o universo inicial z. B. atribuir uma temperatura de 1,4 · 10 32  K ( temperatura de Planck ).

A idade do universo é medida com muita precisão graças às medições precisas do telescópio espacial Planck : 13,81 ± 0,04 bilhões de anos. Uma determinação anterior da idade pelo satélite WMAP deu o resultado um pouco menos preciso de 13,7 bilhões de anos. A idade também pode ser calculada extrapolando a velocidade atual de expansão do universo até o ponto no tempo em que o universo foi comprimido em um ponto. No entanto, esse cálculo depende muito da composição do universo, uma vez que a matéria ou energia retarda a expansão por meio da gravidade. A energia escura , que até agora só foi provada indiretamente, pode, no entanto, também acelerar a expansão. Diferentes suposições sobre a composição do universo podem levar a diferentes idades. Um limite inferior para a idade do universo pode ser dado pela idade das estrelas mais velhas. No modelo padrão atual, os resultados desses métodos concordam muito bem.

Todos os cálculos para a idade do universo assumem que o Big Bang pode realmente ser considerado como o início do universo no tempo, o que não é certo para o estado imediatamente após o início do Big Bang devido à falta de conhecimento das leis da física. Um universo estático que é infinitamente antigo e infinitamente grande pode ser excluído, mas não um universo dinâmico e infinitamente grande. Isso se deve, entre outras coisas, à expansão observada do universo . Além disso, o astrônomo Heinrich Wilhelm Olbers já apontava que com uma expansão infinita e idade infinita de um universo estático, o céu noturno teria que brilhar intensamente ( paradoxo de Olbers ), pois cada olhar que se olhasse para o céu cairia automaticamente sobre uma estrela . Se o universo é infinitamente grande, mas tem apenas uma idade finita, a luz de certas estrelas simplesmente ainda não chegou até nós.

O espaço entre as galáxias não está completamente vazio, mas contém não apenas estrelas e nuvens de poeira, mas também gás hidrogênio . Este meio intergaláctico tem uma densidade de cerca de um átomo por metro cúbico. Dentro das galáxias, entretanto, a densidade da matéria é muito maior. Da mesma forma, o espaço é intercalado com campos e radiação . A temperatura da radiação de fundo é 2,7  Kelvin (cerca de -270 ° C). Foi criado 380.000 anos após o Big Bang. O universo consiste apenas em uma pequena extensão de matéria e energia conhecidas (5%), da qual apenas 10% emite luz e, portanto, é visível. A maior parte (27%) é composta de matéria escura . A matéria escura foi detectada indiretamente por um grande número de observações, mas sua composição ainda não é amplamente compreendida. A maior parte é energia escura (68%) que é responsável pela expansão acelerada. A energia escura foi deduzida dos dados de explosões de supernovas distantes, sua existência é confirmada por satélites como COBE , WMAP e Planck , experimentos com balões como o BOOMERanG bem como efeitos de lentes gravitacionais e a distribuição de galáxias no universo.

Forma e volume

Vídeo: Qual é a forma do universo?

Intuitivamente, pressupõe-se que uma “forma esférica” do universo decorre da teoria do big bang ; no entanto, esta é apenas uma das várias possibilidades. Além de um universo plano e infinito, muitas outras formas foram propostas, incluindo, por exemplo, uma forma de hipertorus , ou as formas que se tornaram conhecidas em publicações científicas populares como a “ forma de futebol” ( dodecaedro ) e “forma de trombeta” . Alguns dados do satélite WMAP também sugerem que o universo é um elipsóide .

No modelo padrão do MDL (CDM do C old D ark M atter, "matéria escura fria") e no modelo padrão mais recente do Lambda CDM , que leva em consideração a aceleração medida da expansão do universo, o universo é plano; ou seja, o espaço é descrito pela geometria euclidiana . Tal universo não precisa necessariamente ter um volume infinito, uma vez que topologias compactas também são possíveis para o espaço. Com base nas observações disponíveis, apenas um limite inferior aproximado para a extensão do universo pode ser fornecido. De acordo com Neil J. Cornish, da Montana State University , dados do satélite WMAP mostram que, de acordo com a maioria dos modelos, o universo deve ter pelo menos 78 bilhões de anos-luz de diâmetro . No modelo padrão do Lambda CDM, portanto, uma geometria plana com dimensões infinitas é geralmente considerada.

Os sinais de televisão transmitidos da Terra nunca alcançam a borda da imagem.

O pano de fundo para o tamanho mínimo calculado é que uma curvatura do universo não pôde ser medida. A imprecisão da medição é relativamente grande em 2%. Se alguém assumir que essa imprecisão de medição leva a uma curvatura do universo de no máximo 2%, então o universo poderia ser curvado de volta para si mesmo. No entanto, a curvatura pode realmente ser zero ou pode assumir um valor entre zero e a curvatura máxima concebível. No primeiro caso, o universo seria infinitamente grande, no último seria maior do que 78 bilhões de anos-luz.

Como o universo tem 13,8 bilhões de anos, apenas objetos podem ser percebidos cuja luz foi emitida a uma distância máxima de 13,8 bilhões de anos-luz. Este é o universo observável . Como o espaço se expandiu significativamente nos últimos 13,8 bilhões de anos, os locais de onde os objetos emitiam luz a 13,8 bilhões de anos atrás estão agora a mais de 45 bilhões de anos-luz de distância. Os próprios objetos podem ter se afastado desses lugares ao longo de um período de 13,8 bilhões de anos devido ao seu próprio movimento no espaço.

A diferença entre infinito e infinito é importante: mesmo se o universo tivesse um volume finito, ele poderia ser ilimitado. Este modelo pode ser ilustrado claramente da seguinte forma: Uma superfície esférica (esfera) é finita, mas não tem centro nesta superfície e é ilimitada (pode-se mover nela sem nunca chegar a uma borda). Assim como uma superfície esférica bidimensional envolve uma esfera tridimensional, pode-se, se o universo não for plano, mas curvo, imaginar o espaço tridimensional como a superfície de um espaço de dimensão superior. Veja bem, isso é apenas para fins ilustrativos, porque na cosmologia clássica o universo não está inserido em um espaço de dimensão superior.

Relação entre densidade de massa, geometria local e forma

Embora a geometria local do espaço-tempo seja muito próxima de uma geometria euclidiana , uma geometria esférica ou hiperbólica também não está excluída. Uma vez que a geometria local está ligada à forma global ( topologia ) e ao volume do universo, em última análise também não se sabe se o volume é finito (em termos matemáticos: um espaço topológico compacto ) ou se o universo tem um volume infinito. De acordo com as equações de Friedmann , que descrevem o desenvolvimento do universo no modelo padrão do Big Bang, quais geometrias e formas são possíveis para o universo depende essencialmente da densidade de energia ou da densidade de massa no universo:

  • Se essa densidade for menor que um determinado valor denominado densidade crítica, a geometria global é chamada de hiperbólica, pois pode ser vista como o análogo tridimensional de uma superfície hiperbólica bidimensional. Um universo hiperbólico está aberto; Ou seja, um determinado elemento de volume dentro do universo continua a se expandir sem nunca parar. O volume total de um universo hiperbólico pode ser infinito e finito.
  • Se a densidade de energia for exatamente igual à densidade crítica, a geometria do universo é plana. O volume total de um universo plano está no caso mais simples, se tomarmos um espaço euclidiano como a topologia mais simples, infinita. No entanto, topologias com um volume finito de espaço também podem ser reconciliadas com um universo plano. Por exemplo, um hiper toróide é possível como forma. Um universo plano, como o universo hiperbólico, é aberto, portanto, um determinado elemento de volume continua a se expandir. Sua expansão diminui perceptivelmente, de modo que, após um tempo infinito, uma expansão finita é alcançada.
  • Se a densidade de energia for maior que a densidade crítica, o universo é chamado de "esférico". O volume de um universo esférico é finito. Em contraste com os universos planos e hiperbólicos, a expansão do universo pára em algum ponto e depois se reverte. O universo "desmorona" novamente.

Os dados atuais de observação astronômica não permitem que o universo seja diferenciado de um universo plano. A densidade de energia do universo medida até agora está tão próxima da densidade crítica que os erros experimentais não permitem diferenciar entre os três casos básicos.

A energia escura continua a afetar as propriedades de expansão do universo. Uma grande proporção de energia escura significa que um universo esférico não entra em colapso ou que um universo plano continua a acelerar. Certas formas de energia escura podem até mesmo fazer com que o universo se expanda localmente mais rápido do que a velocidade da luz e, assim, se dilacere em uma grande fenda , uma vez que as interações entre as partículas não podem mais ocorrer.

Consequências de um volume infinito de espaço-tempo

A suposição de um universo com um volume infinito de espaço-tempo levanta algumas questões sobre as consequências epistemológicas dessa suposição. O princípio antrópico desempenha um papel particularmente importante aqui, como é, e. B. foi formulado por Brandon Carter . De acordo com isso - na interpretação mais cuidadosa - pelo menos a necessidade da existência de um observador na interpretação dos dados astronômicos deve ser levada em consideração; d. ou seja, os dados observacionais não são necessariamente representativos de todo o universo.

Exemplos de conclusões que foram tiradas disso em várias ocasiões são, por exemplo, que um universo localmente aparentemente amigável à vida pode, em geral, ser extremamente hostil à vida ou que mesmo eventos extremamente improváveis, mas possíveis teriam que ocorrer infinitamente freqüentemente em tais um universo. Nos últimos tempos, entre outros. O físico Max Tegmark afirma que o modelo padrão atual do universo, juntamente com a teoria quântica, implica que, em média, um “mundo gêmeo” deve existir a cada metro. Os argumentos dados por Tegmark também se aplicam a um universo com volume finito, mas suficientemente grande. Esses argumentos, bem como as conclusões, são, no entanto, controversos. B. na publicação Sobre a repetição infinita de histórias no espaço pela frase " esses cenários permanecem não mais do que contos literários ".

Estruturas dentro do universo

Na maior escala observável, encontram-se aglomerados de galáxias que se juntam para formar superaglomerados ainda maiores . Estes, por sua vez, formam filamentos semelhantes a fios que se estendem por cavidades enormes, semelhantes a bolhas, praticamente livres de galáxias ( vazios , vazio = vazio). Às vezes, fala-se da estrutura em favo de mel ( teia cósmica ) do universo. A seguinte classificação resulta da maior para a menor estrutura do universo observável :

  1. Grande Grupo Quasar (LQG) (por exemplo: U1.27 , diâmetro: cerca de 4 bilhões de anos-luz)
  2. Filamentos e vazios (por exemplo, Grande Muralha , diâmetro: cerca de 1 bilhão de anos-luz)
  3. Superaglomerados (por exemplo , superaglomerados de Virgem , diâmetro: cerca de 200 milhões de anos-luz)
  4. Aglomerados de galáxias (por exemplo , grupo local , diâmetro: cerca de 10 milhões de anos-luz)
  5. Galáxias (por exemplo, Via Láctea , diâmetro: cerca de 100.000 anos-luz)
  6. Aglomerados de estrelas ( aglomerados globulares de estrelas , aglomerados abertos de estrelas , diâmetro: dezenas a centenas de anos-luz)
  7. Sistemas planetários (por exemplo, nosso sistema solar , diâmetro: aprox. 300  UA = 41 horas-luz)
  8. Estrelas ( por exemplo, sol , diâmetro: 1.392.500 km)
  9. Exoplanetas e planetas ( por exemplo, Terra , diâmetro: 12.756,2 km)
  10. Luas (por exemplo , diâmetro da lua da Terra : 3.476 km)
  11. Asteróides , cometas (diâmetro: alguns quilômetros a vários 100 km)
  12. Meteoróides (diâmetro: do metro até a faixa milimétrica)
  13. Particulas sujas
  14. Moléculas
  15. Átomos
  16. Prótons
  17. Elétrons

Nota: As escalas de tamanho estão parcialmente sobrepostas. Por exemplo, existem luas que são maiores do que planetas ou asteróides que são muito maiores do que algumas luas.

Mapa dos objetos astronômicos

Ilustração da relação de distância de vários objetos astronômicos em uma representação fora da escala - os corpos celestes parecem muito grandes, as distâncias são escaladas logaritmicamente.

Veja também

literatura

Links da web

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Vídeos:

Evidência individual

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