Izotrópia (kozmológia)

A kozmológiában az izotropia fogalma a megfigyelhető univerzumra vonatkozik , jelezve, hogy nagyszabású szerkezete a megfigyelés irányától függetlenül ugyanaz marad. Ez két különálló fogalomra utal:

egyrészt ez azt jelzi, hogy az Univerzum tágulása izotróp, vagyis az adott távolságban elhelyezkedő galaxisok látszólagos recessziós sebessége a megfigyelés irányától függetlenül azonos ( tágulás izotróp ); Ellenkezőleg el lehet képzelni egy anizotróp terjeszkedést, például egy rugalmas szövedéket, amely az egyik irányba nyúlik, de a másikba nem, de a világegyetem tágulásakor ilyen jelenség nem figyelhető meg,
másrészt általánosabb módon jelzi, hogy nincs olyan privilegizált irány sem, amelyet a kozmológiai megfigyelések tárnak fel, amelyek a galaxisok katalógusait , a kozmológiai diffúz hátteret tartalmazzák . Ebben a második esetben általában statisztikai izotrópiáról beszélünk , abban az értelemben, hogy a megfigyelt homogenitástól való eltérések a megfigyelés irányától független szerkezetűek.

A megfigyelhető univerzum izotropiája

A jelenlegi megfigyelések azt mutatják, hogy az univerzum tágulása izotróp a jelenleg mérhető határok között. Sem az univerzum tágulási sebessége, sem az égi tárgyak fényessége vagy látszólagos mérete nem mutat szignifikáns eltéréseket egy adott távolságban a megfigyelés irányától függően. Egészen a közelmúltig ( 2003 ) az univerzumot statisztikailag izotrópnak tekintették. A WMAP műhold által megfigyelt kozmikus diffúz háttér anizotropiáinak részletes vizsgálata mindazonáltal felvetett néhány rendellenességet, amelyek esetleg értelmezhetők az univerzum statisztikai izotropiájától való eltérésként. 2020-ban a független és statisztikailag megbízható megfigyelések szintén megkérdőjelezik a világegyetem tágulásának izotropiáját, de az alkalmazott módszertant ugyanabban az évben lebontják.

Néhány nem izotróp kozmológiai modell

Nem homogenitás és nem izotrópia

Nem szabad összekeverni a nem homogenitást és a nem izotropiát. Vannak nem homogén, de izotróp kozmológiai modellek . Ez például egy olyan gömb szimmetriájú univerzum, amelynek középpontjában galaxisunk található . Ez az univerzum a Földről nézve izotróp lenne, de nem homogén. Másrészt inhomogén és anizotróp lenne egy megfigyelő számára, amely kellően távol helyezkedik el a központtól. Ne feledje, hogy egy ilyen helyzet ellentétes a kopernikuszi elvvel , mert feltételezi, hogy a megfigyelő kiváltságos helyzetben lenne (a központban és nem másutt).

A fent felvetett kivétellel a nem homogén modellek általában nem izotrópnak tűnnek: e modellek inhomogenitása bizonyos kiváltságos irányokban látható. Az alábbiakban figyelembe vett modellek homogének (amit megfigyelünk, nem a megfigyelő helyzetétől függ), hanem anizotropok.

Tágulási anizotrópia

Anyag hiányában a homogén univerzum, amelynek tágulása anizotróp, a Bianchi-osztályozás szerint I. típusúnak mondható . Ez leírható egy úgynevezett Kasner metrikus .

Statisztikai anizotrópia

A homogén, de anizotróp univerzum másik gyökeresen eltérő példája abban a feltételezésben fordul elő, hogy topológiája nincs egyszerűen összekapcsolva . A legegyszerűbb példa a tórus . A tóruszban vannak kiváltságos irányok, amelyek megfelelnek a tórus irányainak. Egy olyan univerzumban, amelynek térbeli szakaszai torikusak lennének, ezek a kitüntetett irányok megfelelnek azoknak, amelyekben a saját galaxisunkhoz közeli szellemképeket láthatnánk.

Az univerzum izotróp?

A megfigyelések azt mutatják, hogy a megfigyelhető univerzum tágulása izotróp. Ez a megfigyelési tény kiderül, hogy nem nyilvánvaló: a hétköznapi anyaggal ( barionikus anyaggal ) töltött univerzumban nincs ok arra, hogy az univerzum homogén és izotróp legyen. Várhatóan még szélesebb körben is egyre inhomogénebbnek tűnik. Ezt a paradox helyzetet horizontproblémának nevezik . Ennek a problémának a kozmológiai standard modell keretein belül történő megoldása feltételezi, hogy a világegyetem történetében már a korai szakaszban létezik egy gyors tágulási szakasz, amelyet kozmikus inflációnak neveznek . Ebben az összefüggésben az univerzum nagyon inhomogén lenne nagyon nagy léptékben, de az univerzum inhomogénné válásának mértéke az inflációs fázis miatt fantasztikusan nagyobb, mint a megfigyelhető univerzum mérete.

Az XMM-Newton , Chandra és ROSAT műholdak 1155 galaxishalmaz röntgensugárzásának vizsgálata az univerzum anizotropiáját mutatja be. A galaktikus koordinátáit , az értéke a Hubble állandó 65 km / s / Mpc irányában (l, b) = (303 °, -27 °), és a 77 km / s / Mpc irányában (l, b) = (34 °, 28 °).

Megjegyzések és hivatkozások

Szakkönyvek a kozmológiáról

Lásd például: Glenn D. Starkman és Dominik J. Schwarz : Az Univerzum nincs összhangban? , Pour la Science , n o 35 (2005. szeptember) is, p. 28-36, valamint szakcikkek:
- en) Angelica de Oliveira-Costa , Max Tegmark , Matias Zaldarriaga és Andrew JS Hamilton , A WMAP legnagyobb mértékű CMB-ingadozásainak jelentősége , Physical Review D 69 , 063516 (2004), astro-ph / 0307282 ( lásd online )
- (en) Craig J. Copi , Dragan Huterer , Glenn D. Starkman, Multipole Vektorok - a CMB égboltjának új ábrázolása és a statisztikai anizotropia vagy nem- $2 \ leq \ ell \ leq 8$ gaussianitás bizonyítékai , Physical Review D 70 , 043515 (2004), astro-ph / 0310511 ( lásd online )
- (en) Dominik J. Schwarz, Glenn D. Starkman, Dragan Huterer, Craig J. Copi, Az alacsony l-es mikrohullámú háttér kozmikus? , Physical Review Letters 93 , 221301 (2004), astro-ph / 0403353 ( lásd online )
(en) K. Migkas, G. Schellenberger, TH Reiprich, F. Pacaud, ME Ramos-Ceja és L. Lovisari: „A kozmikus izotrópia vizsgálata egy új röntgen galaxis klaszter mintával az LX - T skálázás révén kapcsolat ” , Csillagászat és asztrofizika , vol. 636,2020 április( online olvasás ), szabad hozzáférés.
(in) David Rubin és Jessica Heitlauf, " Az univerzum tágulását felgyorsítása? Az összes jel még mindig az Igenre mutat: A helyi dipólus anizotropia nem magyarázhatja a sötét energiát ” , The Astrophysical Journal , vol. 894, n o 1,2020. május 6( online olvasás ).
Suzy Collin-Zahn: " Mi van, ha az Univerzum tágulása nem egyenletes?" », L'Astronomie , n o 139,2020. június, P. 4-5