Preprints and early-stage research may not have been peer reviewed yet.
Preprint

Teste gravitaționale cosmologice

Abstract

Modelele cosmologice actuale sunt construite pe baza relativității generale. Soluțiile ecuațiilor specifice, Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker permit modelarea evoluției universului pornind de la Big Bang. O parte din parametrii universului au fost stabiliți prin observații. Pe baza acestora, și altor date observaționale, se pot testa modelele. Predicțiile includ abundența inițială de elemente chimice formate într-o perioadă de nucleosinteză în perioada Big Bang, structura ulterioară a universului, radiația cosmică de fond, etc.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
Teste gravitaționale cosmologice
Nicolae Sfetcu
12.07.2019
Sfetcu, Nicolae, "Teste gravitaționale cosmologice", SetThings (12 iulie
2019), URL = https://www.setthings.com/ro/teste-gravitationale-
cosmologice/
Email: nicolae@sfetcu.com
Acest articol este licențiat Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0
International. Pentru a vedea o copie a acestei licențe, vizitați
http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/.
UNIVERSUL ÎN EXPANSIUNE ............................................................................................................ 4
OBSERVAȚII COSMOLOGICE ............................................................................................................. 8
MONITORIZĂRI ALE LENTILELOR SLABE ......................................................................................... 16
BIBLIOGRAFIE ....................................................................................................................... 17
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
2
Modelele cosmologice actuale sunt construite pe baza relativității generale.
Soluțiile ecuațiilor specifice, Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker
1
permit
modelarea evoluției universului pornind de la Big Bang.
2
O parte din parametrii
universului au fost stabiliți prin observații. Pe baza acestora, și altor date
observaționale, se pot testa modelele.
3
Predicțiile includ abundența inițială de
elemente chimice formate într-o perioadă de nucleosinteză în perioada Big Bang,
structura ulterioară a universului,
4
radiația cosmică de fond,
5
etc.
Observațiile privind viteza de expansiune a universului permit estimarea
cantității totale de materie, dintre care unele teorii prevăd că 90% este materie
întunecată, cu masă dar fără interacțiuni electromagnetic, și nu poate fi observată
direct. Deplasarea gravitațională spre roșu a supernovelor și măsurătorile radiației
cosmice de fond arată o dependență a evoluției universului de o constantă cosmologică
cu o accelerare a expansiunii cosmice sau, alternativ, o formă de energie
numită ”întunecată”.
6
Din măsurătorile radiațiilor de fond cosmice,
7
în 1980 s-a dedus existența
inițială a unei faze inflaționiste, urmată de o fază de expansiune puternic accelerată
după aproximativ 10-33 secunde, explicând astfel omogenitatea aproape perfectă a
radiației cosmice de fond.
Fenomenele din zona găurilor negre pun în discuție conceptele noastre
fundamentale despre spațiu, timp, determinism, ireversibilitate, informație și
cauzalitate. În mod normal, putem considera starea actuală a Universului ca fiind
efectul trecutului său și cauza viitorului său. Fiecare stare a Universului este
determinată de un set de condiții inițiale și de legile fizicii. Teoremele se aplică doar
obiectelor matematice, nu realității. Existența unor soluții la unele ecuații ale legilor
1
Sean M. Carroll, „The Cosmological Constant”, Living Reviews in Relativity 4, nr. 1 (7 februarie 2001): 4 (1):
1, https://doi.org/10.12942/lrr-2001-1.
2
La scări mari de aproximativ o sută de milioane de ani-lumină și mai mult, universul pare într-adevăr izotrop și
omogen, deci modelele simplificate sunt justificate.
3
Sarah L. Bridle et al., „Precision Cosmology? Not Just Yet . . .”, Science 299, nr. 5612 (7 martie 2003): 299
(5612): 15321533, https://doi.org/10.1126/science.1082158.
4
Volker Springel et al., „Simulations of the Formation, Evolution and Clustering of Galaxies and Quasars”,
Nature 435, nr. 7042 (iunie 2005): 435 (7042): 629636, https://doi.org/10.1038/nature03597.
5
Uros
̆ Seljak și Matias Zaldarriaga, „Signature of Gravity Waves in the Polarization of the Microwave
Background”, Physical Review Letters 78, nr. 11 (17 martie 1997): 78 (11): 20542057,
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2054.
6
Thomas Buchert, „Dark Energy from Structure: A Status Report”, General Relativity and Gravitation 40, nr. 2
(1 februarie 2008): 40 (23): 467527, https://doi.org/10.1007/s10714-007-0554-8.
7
D. N. Spergel et al., „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results: Implications for
Cosmology”, The Astrophysical Journal Supplement Series 170, nr. 2 (iunie 2007): 170 (2): 377408,
https://doi.org/10.1086/513700.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
fizice nu implică existența fizică, aceasta fiind independentă de concepțiile noastre.
Soluțiile ecuațiilor dinamice nu pot prezice toate evenimentele viitoare. Relativitatea
generală presupune existența tuturor evenimentelor reprezentate de o varietate
topologică, deci este o teorie deterministă ontologic. Dar imposibilitatea determinării
orizonturilor găurilor negre demonstrează că relativitatea generală este un exemplu de
teorie care poate fi deterministăontologic, dar totuși epistemologic nedeterminată.
8
8
Gustavo E. Romero, „Philosophical Issues of Black Holes”, arXiv:1409.3318 [astro-ph, physics:gr-qc,
physics:physics], 10 septembrie 2014, http://arxiv.org/abs/1409.3318.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
4
Universul în expansiune
Teoria Big Bang este principalul model cosmologic
9
pentru istoria timpurie a
universului și evoluția lui ulterioară. El oferă o explicație pentru o gamă largă de
fenomene, inclusiv abundența elementelor luminoase, fondul cosmic de microunde,
structura universului și legea lui Hubble.
10
Fizicienii nu s-au pus de acord dacă că
universul a început de la o singularitate sau cunoașterea noastră actuală este
insuficientă pentru a deduce starea inițială. Măsurători ratei de expansiune a
universului arată că universul s-a născut cu 13,8 miliarde de ani în urmă. După
expansiunea inițială, universul s-a răcit formând particule subatomice și apoi atomi.
Coagularea acestor elemente primordiale prin gravitație a dus la formarea stelelor și
galaxiilor actuale.
Din mai multe teorii alternativă, comunitatea științifică a preferat teoria Big
Bang datorită puterii sale euristice mult mai mari, coroborate cu o gamă largă de dovezi
empirice, precum deplasarea spre roșu galactică analizată de Edwin Hubble în 1929, și
descoperirea radiației cosmice de fundal în 1964.
11
Evoluția universului este dedusă
pornind înapoi din situația actuală, către o stare inițială de densitate și temperatură
uriașe.
Acceleratoarele de particule pot replica condițiile de după primele momente ale
universului, confirmând și rafinând detaliilor modelului Big Bang. Teoria Big Bang
explică multe fenomene observate. Modelul Big Bang se bazează pe teoria relativității
generale și pe ipoteze simplificatoare, precum omogenitatea și izotropia spațiului.
Ecuațiile modelului au fost formulate de Alexander Friedmann, iar soluții similare au
fost găsite de Willem de Sitter. Parametrizarea modelului Big Bang sa ca model
standard, denumit modelul Lambda-CDM permite investigațiile curente ale
cosmologiei teoretice.
Deducerile teoretice din fenomenele observate ne conduc la o singularitate
ințială (la momentul t = 0), cu densitate și temperatură infinite.
12
Relativitatea generală
nu este în stare să descriere acest regim, și nici alte legi fizice, și nici nu se pot extrapola
9
Dennis Overbye, „Cosmos Controversy: The Universe Is Expanding, but How Fast?”, The New York Times, 20
februarie 2017, sec. Science, https://www.nytimes.com/2017/02/20/science/hubble-constant-universe-expanding-
speed.html.
10
E. L Wright, „What is the evidence for the Big Bang?, in Frequently Asked Questions in Cosmology”, 2009,
http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html#BBevidence.
11
R. B. Partridge, 3K: The Cosmic Microwave Background Radiation (Cambridge University Press, 2007), xvii.
12
Tai L. Chow, Gravity, Black Holes, and the Very Early Universe: An Introduction to General Relativity and
Cosmology (Springer Science & Business Media, 2007), 211.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
aceste legi dincolo de sfârșitul perioada Planck (10-37 secunde de la începutul
expansiunii). Măsurătorile expansiunii prin observarea supernovelor și măsurarea
fluctuațiilor de temperatură în mediul cosmic cu microunde arată "vârsta
universului" este de 13,799 ± 0,021 miliarde de ani,
13
acest rezultat favorizând modelul
cosmologic LCDM.
Măsurătorile de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) arată
conformitatea cu modelul Lambda-CDM în care se presupune că materia întunecată
este rece
14
și reprezintă aproximativ 23% din materia/energia universului, în timp ce
materia barionică reprezintă aproximativ 4,6%. Un "model extins" include materia
fierbinte întunecată sub formă de neutrini.
Dovezile provenind din observarea supernovelor și radiația cosmică de fundal
arată un univers dominat de o formă de energie cunoscută sub numele de energie
întunecată, care permează tot spațiu, reprezentând 73% din densitatea totală a energiei
din universul de astăzi. Compoziția și mecanismul său sunt necunoscute.
15
Nucleul programului de cercetare Big Bang include două ipoteze majore:
universalitatea legilor fizice și principiul cosmologic (conform căruia pe scară largă
universul este omogen și izotrop). În prezent se încearcă testarea acestora din afara
programului de cercetare Big Bang. Prima ipoteză a fost testată luând în considerare
cea mai mare deviere posibilă a structurii fine constante pentru vârstă a universului
de ordinul 10-5.
16
Principiul cosmologic a fost confirmat la un nivel de 10-5 prin
observațiile radiației cosmice de fundal.
17
Cele mai vechi și mai directe dovezi observaționale ale Big Bang sunt
expansiunea universului în conformitate cu legea lui Hubble (dedusă din deplasarea
spre roșu a galaxiilor), descoperirea și măsurarea radiației cosmice de fond, și
cantitățile relative ale elementelor ușoare produse de nucleosinteza Big Bang.
13
P. a. R. Ade et al., „Planck 2015 Results - XIII. Cosmological Parameters”, Astronomy & Astrophysics 594 (1
octombrie 2016): 594: A13, https://doi.org/10.1051/0004-6361/201525830.
14
D. N. Spergel et al., „First-YearWilkinson Microwave Anisotropy Probe(WMAP) Observations:
Determination of Cosmological Parameters”, The Astrophysical Journal Supplement Series 148, nr. 1
(septembrie 2003): 148 (1): 175194, https://doi.org/10.1086/377226.
15
P. J. E. Peebles și Bharat Ratra, „The cosmological constant and dark energy”, Reviews of Modern Physics 75,
nr. 2 (22 aprilie 2003): 75 (2): 559606, https://doi.org/10.1103/RevModPhys.75.559.
16
A. V. Ivanchik, A. Y. Potekhin, și D. A. Varshalovich, „The fine-structure constant: a new observational limit
on its cosmological variation and some theoretical consequences”, arXiv:astro-ph/9810166, 10 octombrie 1998,
343: 459, http://arxiv.org/abs/astro-ph/9810166.
17
Jeremy Goodman, „Geocentrism reexamined”, Physical Review D 52, nr. 4 (15 august 1995): 52 (4): 1821
1827, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.52.1821.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
6
Observațiile recente privind formarea galaxiei și evoluția și distribuția structurilor
cosmice la scară largă confirmă de asemenea această teorie.
18
Modelele actuale ale Big Bang introduc diverse ipoteze ad-hoc pentru fenomene
fizice exotice care nu au fost observate în experimente sau încorporate în modelul
standard al fizicii particulelor. Dintre acestea, ipoteza materiei întunecate este în
prezent investigată la nivel de laborator.
19
Pentru energia întunecată încă nu s-a găsit
o modalitate de detectare, directă sau indirectă.
20
Legea lui Hubble și expansiunea spațiului sunt verificate prin observații ale
deplasării spre roșu ale galaxiilor și quasarilor. Expansiunea universului a fost prezisă
din relativitatea generală de Alexander Friedmann în 1922
21
și Georges Lemaître în
1927,
22
confirmând teoria Big Bang dezvoltată de Friedmann, Lemaître, Robertson și
Walker.
Radiația fundalului cosmic cu microunde a fost descoperită în 1964 de Arno
Penzias și Robert Wilson, ca un semnal omnidirecțional în banda de microunde.
Aceasta a confirmat previziunile Big Bang de Alpher, Herman și Gamow în 1950.
În 1989, NASA a lansat satelitul Cosmic Background Explorer (COBE) care, în
1990, prin măsurătorile spectrului de înaltă precizie au arătat că spectrul de frecvență
CMB este un corp negru aproape perfect; apoi în 1992, alte s-au descoperit fluctuații
minuscule (anizotropii) la temperatura CMB de-a lungul cerului. În anii 2000-2001,
mai multe experimente, precum BOOMERanG, au ajuns la concluzia forma
universului este aproape plan spațială, prin măsurarea dimensiunii unghiulare tipice
ale anizotropiilor.
23
În 2003, rezultatele Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
(WMAP) au respins unele modele specifice de inflație cosmică, dar au fost în
concordanță cu teoria inflației în general.
24
Abundențele relative ale elementelor depind de raportul dintre fotoni și barioni.
Măsurătorile sunt în acord cu cele prognozate dintr-o singură valoare a raportului
18
Michael D. Gladders et al., „Cosmological Constraints from the Red-Sequence Cluster Survey”, The
Astrophysical Journal 655, nr. 1 (ianuarie 2007): 655 (1): 128134, https://doi.org/10.1086/509909.
19
Bernard Sadoulet, „The Direct Detection of Dark Matter”, ResearchGate, 1998,
https://www.researchgate.net/publication/260854303_The_Direct_Detection_of_Dark_Matter.
20
Partridge, 3K, xvii.
21
A. Friedman, „On the Curvature of Space”, General Relativity and Gravitation 31, nr. 12 (1 decembrie 1999):
10 (1): 377386, https://doi.org/10.1023/A:1026751225741.
22
Abbé G. Lemaître, „A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius Accounting for the
Radial Velocity of Extra-Galactic Nebulæ”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 91, nr. 5 (13
martie 1931): 47A: 41, https://doi.org/10.1093/mnras/91.5.483.
23
A. Melchiorri et al., „A measurement of Omega from the North American test flight of BOOMERANG”, The
Astrophysical Journal 536, nr. 2 (20 iunie 2000): 536(2): L63L66, https://doi.org/10.1086/312744.
24
Spergel et al., „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results”, 170 (2): 377–408.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
barion-foton, confirmând deplin deuteriul, aproximativ 4He, și o diferență mai mare
pentru 7Li. Dar identitatea în general cu abundențele prezise de nucleosinteza Big Bang
confirmă acest model.
25
Evoluția și distribuția galaxiilor și quasarilor sunt în acord cu Big Bang.
Observațiile și teoria sugerează că primii quasari și galaxii s-au format la aproximativ
un miliard de ani după Big Bang, după care s-au format clusterele de galaxii și
superclusterele. Diferențele dintre galaxiile formate relativ recent și cele formate la
scurt timp după Big Bang confirmă acest model și infirmă modelul staționar.
26
Norii de gaze primordiale au fost confirmați în 2011, prin analizarea liniilor de
absorbție în spectrele quasarilor îndepărtați. Ei nu conțin elemente mai grele, doar
hidrogen și deuteriu.
27
Vârsta universului estimată din expansiunea Hubble și CMB este în acord cu
măsurătorile evoluției stelare în grupurile globulare și datarea radiometrică a stelelor
individuale.
Predicția că temperatura CMB a fost mai mare în trecut a fost dovedită
experimental de observațiile liniilor de absorbție foarte scăzută a temperaturii în nori
de gaz la deplasare spre roșu.
28
25
Barbara Ryden, Introduction to cosmology, 2003, http://adsabs.harvard.edu/abs/2003itc..book.....R.
26
Edmund Bertschinger, „Cosmological Perturbation Theory and Structure Formation”, arXiv:astro-
ph/0101009, 31 decembrie 2000, http://arxiv.org/abs/astro-ph/0101009.
27
Michele Fumagalli, John M. O’Meara, și J. Xavier Prochaska, „Detection of Pristine Gas Two Billion Years
After the Big Bang”, Science 334, nr. 6060 (2 decembrie 2011): 334 (6060): 12459,
https://doi.org/10.1126/science.1213581.
28
A. Avgoustidis et al., „Constraints on the CMB Temperature-Redshift Dependence from SZ and Distance
Measurements”, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2012, nr. 02 (februarie 2012): 2012 (2): 013,
https://doi.org/10.1088/1475-7516/2012/02/013.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
8
Observații cosmologice
Stephen Hawking a introdus conceptul de radiație Hawkin conform căruia
găurilor negre care au entropie. Acest concept afirmă că găurile negre pot radia energia,
conservând entropia și rezolvă problemele de incompatibilitate cu a doua lege a
termodinamicii. Pierderea energiei sugerează că găurile negre "se evaporă" în timp.
O gaură neagră acționează ca un corp negru ideal, deoarece nu reflectă lumină.
Teoria câmpului cuantic în spațiu curbat prezice faptul că orizonturile evenimentului
emit radiație Hawking cu același spectru ca un corp negru,
29
cu o temperatură invers
proporțională cu masa sa, ordinul a miliarde de grade kelvin, făcându-le în esență
imposibil de observat.
Prezența unei găuri negre poate fi dedusă indirect, prin interacțiunea sa cu alte
materii și radiațiile electromagnetice. Materia care cade pe o gaură neagră poate forma
un disc extern de acreție, unul dintre cele mai strălucitoare obiecte din univers. Dacă
există alte stele care orbitează o gaură neagră, orbitele lor pot fi folosite pentru a
determina masa și locația găurii negre, după excluderea unor alternative precum
stelele neutronice. În acest fel s-a stabilit că sursa radio Sagittarius A*, din centrul
galaxiei Calea Laptelui, conține o gaură neagră supermasivă de aproximativ 4,3
milioane de mase solare. La 11 februarie 2016, LIGO a anunțat prima observație a
undelor gravitaționale care se presupune că au fost generate dintr-o fuziune cu gaura
neagră,
30
iar în decembrie 2018, a fost anunțată o a altă detectare a unui eveniment de
unde gravitaționale rezultate din unirea unei găuri negre cu o stea neutronică.
31
Pe 10
aprilie 2019 a fost captată prima imagine a unei găuri negre cu ajutorul
observațiilor Event Horizon Telescope din 2017 a găuirii negre supermasive din
centrul galactic al lui Messier 87.
32
Teorema ”fără păr” afirmă o gaură neagră stabilă are doar trei proprietăți
fizice independente: masa, sarcina și momentul unghiular.
33
Orice două găuri negre
care cu aceleași valori pentru aceste proprietăți nu se pot distinge conform mecanicii
29
P. C. W. Davies, „Thermodynamics of Black Holes”, Reports on Progress in Physics 41, nr. 8 (august 1978):
41 (8): 13131355, https://doi.org/10.1088/0034-4885/41/8/004.
30
B. P. Abbott, The LIGO Scientific Collaboration, și the Virgo Collaboration, Observation of Gravitational
Waves from a Binary Black Hole Merger, Physical Review Letters 116, nr. 6 (11 februarie 2016): 116 (6):
061102, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102.
31
LIGO Scientific Collaboration, „Detection of gravitational waves”, 2019, https://www.ligo.org/detections.php.
32
K. L. Bouman et al., „Computational Imaging for VLBI Image Reconstruction”, în 2016 IEEE Conference on
Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2016, 913922, https://doi.org/10.1109/CVPR.2016.105.
33
Markus Heusler, Piotr T. Chruściel, și João Lopes Costa, „Stationary Black Holes: Uniqueness and Beyond”,
Living Reviews in Relativity 15, nr. 1 (decembrie 2012): 15 (7): 7, https://doi.org/10.12942/lrr-2012-7.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
clasice (non-cuantică). Aceste proprietăți sunt vizibile din afara unei găuri negre,
putând fi măsurate.
Orizontul evenimentelor este asemănat un sistem disipativ care este aproape
analog cu cel al unei membrane conductoare elastice cu frecare și rezistență electrică -
paradigma membranei.
34
Nu există nicio modalitate de a evita pierderea informațiilor
despre condițiile inițiale, inclusiv parametrii cuantici.
35
Acest comportament a fost
numit paradoxul pierderii informațiilor de gaura neagră.
36
Existența găurilor negre sunt deduse prin observații indirecte, pe baza
interacțiunilor gravitaționale cu vecinătățile acesteia.
37
Observarea orbitelor stelelor în jurul Sagetator A* din centrul Căi Lactee, a
oferit dovezi puternice a existenței unei găuri negre supermassive.
38
În plus, există
unele dovezi observaționale acest corp cosmic ar putea avea un orizont de
eveniment, o caracteristică clară a găurilor negre.
39
Prin conservarea momentului unghiular, gazul din puțul gravitațional al unei
găuri negre formeazăo structură asemănătoare discului în jurul obiectului (disc de
acreție),
40
emițându-se radiații electromagnetice (în principal raze X) care pot fi
detectate de telescoape. În unele cazuri, discurile de acreție pot fi însoțite de jeturi
relativiste emise de-a lungul poliilor, prin care se îndepărtează o mare parte din
energie. Multe din fenomenele energetice ale universului sunt acumularii de materie
de găurile negre, în special nucleele galactice active și quasarii, considerate a fi discuri
de acumulare a găurilor negre supermassive. În noiembrie 2011, a fost raportată prima
34
Kip S. Thorne, Richard H. Price, și Douglas A. MacDonald, Black holes: The membrane paradigm, 1986,
http://adsabs.harvard.edu/abs/1986bhmp.book.....T.
35
Componentele unui câmp cuantic din interiorul și exteriorul găurii negre vor fi în general inseparate, dar
microcausalitatea implică faptul că gradele inseparate de libertate din gaura neagră nu se pot recombinare
coerent cu cele din universul exterior. Astfel, când gaura neagră s-a evaporat complet, aceste inseparări vor
dispărea, iar entropia universului va crește.
36
Warren G. Anderson, „Black Hole Information Loss”, 1996,
http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/info_loss.html.
37
NASA, „Black Holes | Science Mission Directorate”, 2019, https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-
areas/black-holes.
38
S. Gillessen et al., Monitoring stellar orbits around the Massive Black Hole in the Galactic Center, The
Astrophysical Journal 692, nr. 2 (20 februarie 2009): 692 (2): 10751109, https://doi.org/10.1088/0004-
637X/692/2/1075.
39
Avery E. Broderick, Abraham Loeb, și Ramesh Narayan, „The Event Horizon of Sagittarius A*”, The
Astrophysical Journal 701, nr. 2 (20 august 2009): 701(2): 13571366, https://doi.org/10.1088/0004-
637X/701/2/1357.
40
J. A. Marck, „Shortcut method of solution of geodesic equations for schwarzschild black hole”, Classical and
Quantum Gravity 13, nr. 3 (1 martie 1996): 13 (3): 393402, https://doi.org/10.1088/0264-9381/13/3/007.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
10
observație directă a unui disc de acreție pentru un quasar în jurul unei gauri negre
supermassive.
41
Sisteme binare de stele cu raze X emit o mare parte din radiațiile lor atunci când
una dintre stele preia masă de la o altă stea, existând astfel posibilitatea studierii
existenței unei găuri negre.
42
În acest scop a fost studiată Cygnus X-1, descoperită de
Charles Thomas Bolton, Louise Webster și Paul Murdin în 1972, rezultatele nefiind
certe întrucât steaua însoțitoare este mult mai grea decât gaura neagră candidată.
Ulterior s-au găsit alți candidați mai buni. Lipsa discului de acreție a unui astfel de
sistem se datorează unui fluxul de masă de acumulare dominat de advecție care, dacă
e confirmat prin observație, este o dovadă puternică pentru prezența unui orizont al
evenimentului.
43
Emisiile de raze X de pe discurile de acreție ajung uneori să se
comporte ca oscilații cvasi-periodice, cu frecvențadependentă de masa obiectului
compact. Acest fenomen poate fi folosit pentru a determina masa găurilor negre.
Astronomii au observat anumite galaxii, denumite "active", cu caracteristici
neobișnuite, precum emisia neobișnuită de linii spectrale și emisiile radio foarte
puternice. Ele pot fi explicate prin prezența găurilor negre supermasive.
44
Corelația
observațională între masa acestei găuri și viteza de dispersie a galexiei gazdă,
cunoscută ca relația M-sigma, sugerează o legătură între formarea găurii negre și
galaxia însăși.
45
Oamenii de știință speră ca în viitor să poată testa găurile nerge prin observarea
efectelor cauzate de un câmp gravitațional puternic în vecinătatea lor, precum lentila
gravitațională. Există deja observații privind lentilele gravitaționale slabe, în care
razele de lumină sunt deflectate cu numai câteva secunde, dar niciodată direct pentru
o gaură neagră. Există mai mulți candidați în acest scop, aflați pe orbită în jurul
Sagetatorului A*.
46
41
José A. Muñoz et al., „A Study of Gravitational Lens Chromaticity with the Hubble Space Telescope”, The
Astrophysical Journal 742, nr. 2 (1 decembrie 2011): 742 (2): 67, https://doi.org/10.1088/0004-637X/742/2/67.
42
Annalisa Celotti, John C. Miller, și Dennis W. Sciama, Astrophysical evidence for the existence of black
holes, Classical and Quantum Gravity 16, nr. 12A (1 decembrie 1999): 16 (12A): A3A21,
https://doi.org/10.1088/0264-9381/16/12A/301.
43
Ramesh Narayan și Jeffrey E. McClintock, „Advection-dominated accretion and the black hole event
horizon”, New Astronomy Reviews, Jean-Pierre Lasota, X-ray Binaries, Accretion Disks and Compact Stars, 51,
nr. 10 (1 mai 2008): 51 (1012): 733751, https://doi.org/10.1016/j.newar.2008.03.002.
44
Julian Henry Krolik, Active Galactic Nuclei: From the Central Black Hole to the Galactic Environment
(Princeton University Press, 1999).
45
Laura Ferrarese și David Merritt, „A Fundamental Relation Between Supermassive Black Holes and Their
Host Galaxies”, The Astrophysical Journal 539, nr. 1 (10 august 2000): 539 (1): 912,
https://doi.org/10.1086/312838.
46
Valerio Bozza, „Gravitational Lensing by Black Holes”, General Relativity and Gravitation 42, nr. 9 (1
septembrie 2010): 42 (9): 22692300, https://doi.org/10.1007/s10714-010-0988-2.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
Există mai multe conjecturi ad-hoc care au fost introduse pentru a explica mai
bine observațiile candidaților de gaură neagră astronomică identici, dar cu mecanisme
de funcționare diferite: gravastar, steaua neagră (gravitația semiclasică),
47
steaua
energiei întunecate, etc.
48
Cosmologia, ca studiul universului fizic, a început ca ramură a fizicii teoretice
prin modelul static al universului din 1917 al lui Einstein, dezvoltată apoi de
Lemaître.
49
Din 1960 cosmologia este considerată o ramură a filosofiei. Modelul
standard al cosmologiei se bazează pe extrapolări ale teoriilor existente, în special
relativitatea generală. Ea se bazează pe un set de soluții Friedman-Lemaître-
Robertson-Walker (FLRW) cu o geometrie uniformă și simetrică tridimensională cu
trei curburi posibile: pozitivă (spațiu sferic), zero (spațiu euclidian), și negativă (spațiu
hiperbolic).
Caracteristicile de bază ale modelelor care se bazează pe soluțiile FLRW, care
pot fi considerate drept nucleul dur pentru programul de cercetare cosmologic aferent,
sunt: modelele sunt dinamice (univers în continuă schimbare), rata de expansiune a
universului variază în funcție de diferitele tipuri de materie dominante, și modelele
FLRW au o singularitate într-un timp finit în trecut (Big Bang).
În cazul modelelor FKRW există două tipuri de teste observaționale pentru
verificarea lor: se studiază geometria spațiului de fundal și evoluția sa cu ajutorul
materiei și radiației în univers, sau se studiază modul de formare a structurii modelului
care descrie evoluția perturbațiilor mici.
Studiul observațional al geometriei universului arată acesta este izotrop la
scări suficient de mari, conform datelor rezultate din radiația cosmică a fundalului de
microunde (CMB) și din surse discrete (galaxii, etc.). Studiul modul de formare a
structurii modelului folosește un număr mici de parametri pentru observații din
diferite perioade, folosind anizotropiile de temperatură în CMB și spectrul de putere al
materiei prin observarea galaxiilor drept constrângeri independente ale acestor
parametri, și ale parametrilor de fond.
50
47
Charles Q. Choi, „Black Hole Pretenders Could Really Be Bizarre Quantum Stars”, Scientific American,
2018, https://www.scientificamerican.com/article/black-hole-pretenders-could-really-be-bizarre-quantum-stars/.
48
Philip Ball, „Black Holes «Do Not Exist»”, Nature, 31 martie 2005, news050328-8,
https://doi.org/10.1038/news050328-8.
49
Lemaître, „A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial
Velocity of Extra-Galactic Nebulæ”.
50
Christopher Smeenk și George Ellis, „Philosophy of Cosmology”, în The Stanford Encyclopedia of
Philosophy, ed. Edward N. Zalta, Winter 2017 (Metaphysics Research Lab, Stanford University, 2017),
https://plato.stanford.edu/archives/win2017/entries/cosmology/.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
12
Modelul cosmologic standard include câteva perioade în evoluția universului
tratate distinct în verificări experimentale și observaționale:
51
Gravitația cuantică: perioada de început, când efectele cuantice au fost
esențiale în descrierea fenomenelor
Inflația: o perioadă de expansiune exponențială a universului, în timpul căreia
substanțele preexistente și radiațiile sunt diluate rapid, iar apoi universul este
repopulat cu materie și energie prin degradarea câmpului în alte zone la sfârșitul
inflației ("reîncălzirea").
Nucleosinteza Big Bang: perioada în care constituenții universului includ
neutronii, protonii, electronii, fotonii și neutrinii, cuplați strâns și în echilibrul
termic local și apar elementele ușoare.
Decuplarea: electronii devin legați în atomi stabili iar fotonii se decuplează de
materie; pe măsură ce unoversul se expandează, fotonii se răcesc adiabatic dar
păstrează un spectru al corpului negru - radiație cosmică de fundal care conține
multe informații despre starea universului la decuplare.
52
Perioada întunecată: după decuplare, materia barionică formată din hidrogen
neutru și heliu se coagulează formând stele; epoca întunecată se termină odată
cu apariția luminii de la stele.
Formarea structurilor: prima generație de stele se agregă în galaxii, iar galaxiile
în clustere; stelele masive sfârșesc în explozii supernova și răspândesc în spațiu
elemente grele create în interiorul lor, formându-se a doua generație de stele
înconjurate de planete.
Dominația energiei întunecate: energia întunecată (sau o constantă
cosmologică non-zero) ajunge să domine expansiunea universului, ducând la o
expansiune accelerată; expansiunea va continua la nesfârșit dacă energia
întunecată este în fapt o constantă cosmologică.
53
Modelul cosmologic standard include câțiva parametri liberi, precum densitatea
abundenței diferitelor tipuri de materie, care pot fi măsurați în mai multe moduri cu
ipoteze teoretice distincte și surse de eroare. În prezent există diferențe mari între
51
Smeenk și Ellis.
52
P. a. R. Ade et al., „Planck 2015 Results - XX. Constraints on Inflation”, Astronomy & Astrophysics 594 (1
octombrie 2016): 594: A20, https://doi.org/10.1051/0004-6361/201525898.
53
O explicație alternativă, în conformitate cu teoria corzilor,este că universul are dimensiuni multiple și
gravitația se pierdecând gravitonii trec de la o dimensiune la alta.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
diferitele metode de măsurare, iar semnificația și implicațiile acestor diferențe încă nu
sunt clare.
Modelul standard al nucleosintezei este confirmat de mai multe dovezi
independente, pentru a elimina erorile teoretice izolate sau sursele de erori sistematice.
Deși este cel mai complet, modelul cosmologic standard se lovește de trei
probleme care implică necesitatea unei noi fizici:
54
nu există o descriere completă a
naturii sau dinamicii materiei întunecate,
55
energiei întunecate
56
și câmpului
inflaționist;
57
formarea galaxiilor,
58
și posibila refutare a modelului în cazul în care s-
ar descoperi obiecte în univers cu o vârstă mai mare decât cea determinată a
universului, de cca. 13,7 miliarde de ani.
59
Există opinia actualele dovezi cosmologice nu sunt suficiente pentru a
determina ce teorie științifică să alegem, iar fiecare teorie conformă cu un anumit
număr de date oferă descrieri destul de diferite ale lumii. Duhem
60
a caracterizat
dificultatea alegerii teoriilor fizice, iar Quine
61
a pledat pentru subdeterminare.
Dificultatea constă în modul de caracterizare a conținutului empiric al teoriilor. Van
Fraassen (1980) definește o teorie ca fiind „empiric adecvată“ dacă ceea ce se spune
despre fenomene observabile este adevărat. n cosmologie caracteristicile de bază ale
modelului standard impun două limite fundamentale: finitudinea vitezei luminii, și
faptul teoriile care pot fi testate prin implicațiile lor pentru cosmologie imăplică
energii prea mari pentru a fi testate pe Pamant. Ellis (2007)
Programul de cercetare al cosmologiei observaționale
62
63
arată în ce măsuri un
set de observații ideale poate determina geometria spatiu-timp pe baza unui minim de
54
Smeenk și Ellis, „Philosophy of Cosmology”.
55
Gianfranco Bertone, Dan Hooper, și Joseph Silk, „Particle dark matter: evidence, candidates and constraints”,
Physics Reports 405, nr. 5 (1 ianuarie 2005): 405(56): 279390, https://doi.org/10.1016/j.physrep.2004.08.031.
56
Peebles și Ratra, „The cosmological constant and dark energy”, 75(2): 559–606.
57
David H. Lyth și Antonio Riotto, „Particle physics models of inflation and the cosmological density
perturbation”, Physics Reports 314, nr. 1 (1 iunie 1999): 314(12): 1146, https://doi.org/10.1016/S0370-
1573(98)00128-8.
58
Joseph Silk, „Formation of Galaxies”, The Philosophy of Cosmology, aprilie 2017, 161–178,
https://doi.org/10.1017/9781316535783.009.
59
G. F. R. Ellis și J. E. Baldwin, „On the Expected Anisotropy of Radio Source Counts”, Monthly Notices of the
Royal Astronomical Society 206, nr. 2 (1 ianuarie 1984): 206(2): 377381,
https://doi.org/10.1093/mnras/206.2.377.
60
Pierre Maurice Marie Duhem, Jules Vuillemin, și Louis de Broglie, The Aim and Structure of Physical Theory,
trad. Philip P. Wiener, 9932nd edition (Princeton: Princeton University Press, 1991).
61
W. V. Quine, „On the Reasons for Indeterminacy of Translation”, The Journal of Philosophy, 1 ianuarie 1970,
67(6): 178183, https://doi.org/10.2307/2023887.
62
J. Kristian și R. K. Sachs, „Observations in Cosmology”, The Astrophysical Journal 143 (1 februarie 1966):
143: 379-399, https://doi.org/10.1086/148522.
63
G. F. R. Ellis et al., „Ideal observational cosmology”, Physics Reports 124, nr. 5 (1 iulie 1985): 124(56):
315417, https://doi.org/10.1016/0370-1573(85)90030-4.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
14
ipoteze cosmologice. Setul de date ideal presupune obiecte astrofizice care pot fi
folosite ca etaloane pentru determinarea proprietăților și evoluției unor surse. În
practică observatorii nu au acces la setului de date ideal, astfel încât se confruntă cu
provocări în înțelegerea naturii surselor și a evoluției lor.
Conform lui Christopher Smeenk și George Ellis, problema în cosmologie este
discriminarea între modelele unei teorii date, mai degrabă decât o alegere între teorii
concurente. Ei dau ca exemplu simetria globală asumată în derivarea modelelor FLRW.
Toate dovezile existente sunt la fel de compatibile cu modelele în care această simetrie
nu este valabilă. O posibilitate ar fi ca ea fie cosiderată a priori, sau ca o condiție
prealabilă pentru teoretizarea cosmologică
64
. recent s-a încercat justificarea modelelor
FLRW apelând la un alt principiu general mai slab, coroborat cu teoreme legate de
omogenitate și izotropie. Teorema Ehlers-Geren-Sachs
65
arată că, dacă toți
observatorii geodezici dintr-un model în care se acceptă expansiunea determină
radiația de fond care se propagă liber este exact izotropă, atunci se confirmă modelul
FLRW. Dacă trecutul cauzal este "tipic", observațiile de-a lungul liniei noastre de
univers vor constrânge ce pot vedea ceilalți observatori (principiul copernican). Acest
principiu se poate testa indirect, prin verificarea izotropiei prin efectul Sunyaev-
Zel'dovici. Alte teste sunt directe cu un set suficient de bun de etaloane, și un test
indirect bazat pe scurgerea timpului de redirectionare cosmologică. Această modalitate
de lucru oferă un argument empiric conform căruia universul observat este bine
aproximat de un model FLRW, transformând astfel ipoteza inițială filosofică în o bază
testată observațional.
66
Fizicianul sovietic Yakov Zeldovici a numit universul timpuriu ca fiind
"acceleratorul omului sărac", pentru prin observarea universului timpuriu se pot
studia fenomene din fizica energiei înalte. Pentru gravitația cuantică, cosmologia oferă
singura modalitate practică de a evalua ideile concurente.
În prezent există dezbateri privind legitimitatea diferitelor programe de
cercetare în cosmologie. Un răspuns este să se recurgă la modele ipotetico-deductiviste
(ID): o ipoteză devine mai de încredere cu cât una dintre consecințele ei este verificată,
și invers. Dar modelul ID prezintă mai multe aspecte contestate (este adesea numit "ID
64
Claus Beisbart, „Can We Justifiably Assume the Cosmological Principle in Order to Break Model
Underdetermination in Cosmology?”, Journal for General Philosophy of Science 40, nr. 2 (1 decembrie 2009):
40(2): 175205, https://doi.org/10.1007/s10838-009-9098-9.
65
J. Ehlers, P. Geren, și R. K. Sachs, „Isotropic Solutions of the Einstein‐Liouville Equations”, Journal of
Mathematical Physics 9, nr. 9 (1 septembrie 1968): 9(9): 13441349, https://doi.org/10.1063/1.1664720.
66
Smeenk și Ellis, „Philosophy of Cosmology”.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
naiv", similar cu falsificaționismul naiv al lui Popper). Viziunea naivă nu permite
distingerea între teoriile rivale subdeterminate care fac aceleași predicții.
67
Oamenii de
știință disting între teoriile care pur și simplu "se potrivesc cu datele", spre deosebire
de cele care captează cu precizie legile și evaluează unele predicții de succes ca fiind
mai revelatoare decât altele.
O metodologie mai sofisticată poate recunoaște explicit criteriile pe care
oamenii de știință le folosesc pentru a evalua teoriile științifice,
68
care includ puterea
explicativă, și coerența cu alte teorii , pe lângă compatibilitatea cu dovezile. Acești
factori ar trebui să fie clari și discriminatorii. Alternativ, se pot considera unele dintre
caracteristicile dezirabile ca parte a ceea ce constituie un succes empiric.
67
Vincenzo Crupi, „Confirmation”, 30 mai 2013,
https://plato.stanford.edu/archives/win2016/entries/confirmation/.
68
George F R Ellis, „Issues in the philosophy of cosmology”, în Philosophy of Physics, ed. Jeremy Butterfield și
John Earman, Handbook of the Philosophy of Science (Amsterdam: North-Holland, 2007), 11831286,
https://doi.org/10.1016/B978-044451560-5/50014-2.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
16
Monitorizări ale lentilelor slabe
Cu ajutorul telescopului spațial Hubble și Very Large Telescope s-au făcut teste
ale relativității generale la scară galactică. Galaxia ESO 325-G004 acționează ca o
lentilă gravitațională puternică, distorsionând lumina de la o galaxie mai îndepărtată
și creând un inel Einstein în jurul centrului său. Comparând masa ESO 325-G004, prin
măsurători ale mișcării stelelor din interiorul acestei galaxii, cu curbura spațiului din
jurul ei, gravitația s-a comportat conform relativității generale.
69
Studiile privind lentilele slabe sunt în fază incipientă. Lentilele slabe produc
denaturări în imaginea aparentă a dimensiunii, formei și fluxurilor obiectului astrofizic
folosit ca lentilă cosmică. Studiul lentilelor slabe este o metodă bună pentru testarea
TGR, și o dovadă puternică a existenței energiei întunecate și materiei întunecate.
70
Reyes și alții au măsurat "alunecarea gravitațională", ca diferența dintre două
potențiale gravitaționale diferite care definesc perturbațiile materiei. În TGR această
valoare este zero sau foarte mică, dar în alte teorii este diferită de zero și conduce la
diferențe substanțiale în puterea lentilelor gravitaționale.
71
Mai recent, Blake și colab.,
72
au efectuat teste asemănătoare TGR pe distanțe
cosmologice, folosind date spectroscopice și imagistica. Ei au descoperit că rezultatele
validează TGR.
69
Thomas E. Collett et al., „A Precise Extragalactic Test of General Relativity”, Science 360, nr. 6395 (22 iunie
2018): 360 (6395): 13421346, https://doi.org/10.1126/science.aao2469.
70
Yong-Seon Song și Olivier Doré, „A step towards testing general relativity using weak gravitational lensing
and redshift surveys”, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2009, nr. 03 (23 martie 2009): 025,
https://doi.org/10.1088/1475-7516/2009/03/025.
71
Reinabelle Reyes et al., „Confirmation of general relativity on large scales from weak lensing and galaxy
velocities”, Nature 464, nr. 7286 (martie 2010): 464(7286: 256258, https://doi.org/10.1038/nature08857.
72
Chris Blake et al., „RCSLenS: Testing Gravitational Physics through the Cross-Correlation of Weak Lensing
and Large-Scale Structure”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 456, nr. 3 (1 martie 2016):
456(3): 28062828, https://doi.org/10.1093/mnras/stv2875.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
17
Bibliografie
Abbott, B. P., The LIGO Scientific Collaboration, și the Virgo Collaboration. „Observation of
Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”. Physical Review Letters 116,
nr. 6 (11 februarie 2016): 061102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102.
Ade, P. a. R., N. Aghanim, M. Arnaud, F. Arroja, M. Ashdown, J. Aumont, C. Baccigalupi, et
al. „Planck 2015 Results - XX. Constraints on Inflation”. Astronomy & Astrophysics
594 (1 octombrie 2016): A20. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201525898.
Ade, P. a. R., N. Aghanim, M. Arnaud, M. Ashdown, J. Aumont, C. Baccigalupi, A. J.
Banday, et al. „Planck 2015 Results - XIII. Cosmological Parameters”. Astronomy &
Astrophysics 594 (1 octombrie 2016): A13. https://doi.org/10.1051/0004-
6361/201525830.
Anderson, Warren G. „Black Hole Information Loss”, 1996.
http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/info_loss.html.
Avgoustidis, A., G. Luzzi, C. J. A. P. Martins, și A. M. R. V. L. Monteiro. „Constraints on the
CMB Temperature-Redshift Dependence from SZ and Distance Measurements”.
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2012, nr. 02 (februarie 2012): 013
013. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2012/02/013.
Ball, Philip. „Black Holes «Do Not Exist»”. Nature, 31 martie 2005, news050328-8.
https://doi.org/10.1038/news050328-8.
Beisbart, Claus. „Can We Justifiably Assume the Cosmological Principle in Order to Break
Model Underdetermination in Cosmology?” Journal for General Philosophy of
Science 40, nr. 2 (1 decembrie 2009): 175205. https://doi.org/10.1007/s10838-009-
9098-9.
Bertone, Gianfranco, Dan Hooper, și Joseph Silk. „Particle dark matter: evidence, candidates
and constraints”. Physics Reports 405, nr. 5 (1 ianuarie 2005): 279390.
https://doi.org/10.1016/j.physrep.2004.08.031.
Bertschinger, Edmund. „Cosmological Perturbation Theory and Structure Formation”.
arXiv:astro-ph/0101009, 31 decembrie 2000. http://arxiv.org/abs/astro-ph/0101009.
Blake, Chris, Shahab Joudaki, Catherine Heymans, Ami Choi, Thomas Erben, Joachim
Harnois-Deraps, Hendrik Hildebrandt, et al. „RCSLenS: Testing Gravitational Physics
through the Cross-Correlation of Weak Lensing and Large-Scale Structure”. Monthly
Notices of the Royal Astronomical Society 456, nr. 3 (1 martie 2016): 280628.
https://doi.org/10.1093/mnras/stv2875.
Bouman, K. L., M. D. Johnson, D. Zoran, V. L. Fish, S. S. Doeleman, și W. T. Freeman.
„Computational Imaging for VLBI Image Reconstruction”. În 2016 IEEE Conference
on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 91322, 2016.
https://doi.org/10.1109/CVPR.2016.105.
Bozza, Valerio. „Gravitational Lensing by Black Holes”. General Relativity and Gravitation
42, nr. 9 (1 septembrie 2010): 22692300. https://doi.org/10.1007/s10714-010-0988-2.
Bridle, Sarah L., Ofer Lahav, Jeremiah P. Ostriker, și Paul J. Steinhardt. „Precision
Cosmology? Not Just Yet . . .” Science 299, nr. 5612 (7 martie 2003): 153233.
https://doi.org/10.1126/science.1082158.
Broderick, Avery E., Abraham Loeb, și Ramesh Narayan. „The Event Horizon of Sagittarius
A*”. The Astrophysical Journal 701, nr. 2 (20 august 2009): 135766.
https://doi.org/10.1088/0004-637X/701/2/1357.
Buchert, Thomas. „Dark Energy from Structure: A Status Report”. General Relativity and
Gravitation 40, nr. 2 (1 februarie 2008): 467527. https://doi.org/10.1007/s10714-
007-0554-8.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
18
Carroll, Sean M. „The Cosmological Constant”. Living Reviews in Relativity 4, nr. 1 (7
februarie 2001): 1. https://doi.org/10.12942/lrr-2001-1.
Celotti, Annalisa, John C. Miller, și Dennis W. Sciama. „Astrophysical evidence for the
existence of black holes”. Classical and Quantum Gravity 16, nr. 12A (1 decembrie
1999): A321. https://doi.org/10.1088/0264-9381/16/12A/301.
Choi, Charles Q. „Black Hole Pretenders Could Really Be Bizarre Quantum Stars”. Scientific
American, 2018. https://www.scientificamerican.com/article/black-hole-pretenders-
could-really-be-bizarre-quantum-stars/.
Chow, Tai L. Gravity, Black Holes, and the Very Early Universe: An Introduction to General
Relativity and Cosmology. Springer Science & Business Media, 2007.
Collett, Thomas E., Lindsay J. Oldham, Russell J. Smith, Matthew W. Auger, Kyle B.
Westfall, David Bacon, Robert C. Nichol, Karen L. Masters, Kazuya Koyama, și
Remco van den Bosch. „A Precise Extragalactic Test of General Relativity”. Science
360, nr. 6395 (22 iunie 2018): 134246. https://doi.org/10.1126/science.aao2469.
Crupi, Vincenzo. „Confirmation”, 30 mai 2013.
https://plato.stanford.edu/archives/win2016/entries/confirmation/.
Davies, P. C. W. „Thermodynamics of Black Holes”. Reports on Progress in Physics 41, nr. 8
(august 1978): 13131355. https://doi.org/10.1088/0034-4885/41/8/004.
Duhem, Pierre Maurice Marie, Jules Vuillemin, și Louis de Broglie. The Aim and Structure of
Physical Theory. Traducere de Philip P. Wiener. 9932nd edition. Princeton: Princeton
University Press, 1991.
Ehlers, J., P. Geren, și R. K. Sachs. „Isotropic Solutions of the Einstein‐Liouville Equations”.
Journal of Mathematical Physics 9, nr. 9 (1 septembrie 1968): 134449.
https://doi.org/10.1063/1.1664720.
Ellis, G. F. R., și J. E. Baldwin. „On the Expected Anisotropy of Radio Source Counts”.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 206, nr. 2 (1 ianuarie 1984): 377
81. https://doi.org/10.1093/mnras/206.2.377.
Ellis, G. F. R., S. D. Nel, R. Maartens, W. R. Stoeger, și A. P. Whitman. „Ideal observational
cosmology”. Physics Reports 124, nr. 5 (1 iulie 1985): 315417.
https://doi.org/10.1016/0370-1573(85)90030-4.
Ellis, George F R. „Issues in the philosophy of cosmology”. În Philosophy of Physics, ediție
de Jeremy Butterfield și John Earman, 11831285. Handbook of the Philosophy of
Science. Amsterdam: North-Holland, 2007. https://doi.org/10.1016/B978-044451560-
5/50014-2.
Ferrarese, Laura, și David Merritt. „A Fundamental Relation Between Supermassive Black
Holes and Their Host Galaxies”. The Astrophysical Journal 539, nr. 1 (10 august
2000): L912. https://doi.org/10.1086/312838.
Friedman, A. „On the Curvature of Space”. General Relativity and Gravitation 31, nr. 12 (1
decembrie 1999): 19912000. https://doi.org/10.1023/A:1026751225741.
Fumagalli, Michele, John M. O’Meara, și J. Xavier Prochaska. „Detection of Pristine Gas
Two Billion Years After the Big Bang”. Science 334, nr. 6060 (2 decembrie 2011):
124549. https://doi.org/10.1126/science.1213581.
Gillessen, S., F. Eisenhauer, S. Trippe, T. Alexander, R. Genzel, F. Martins, și T. Ott.
„Monitoring stellar orbits around the Massive Black Hole in the Galactic Center”. The
Astrophysical Journal 692, nr. 2 (20 februarie 2009): 10751109.
https://doi.org/10.1088/0004-637X/692/2/1075.
Gladders, Michael D., H. K. C. Yee, Subhabrata Majumdar, L. Felipe Barrientos, Henk
Hoekstra, Patrick B. Hall, și Leopoldo Infante. „Cosmological Constraints from the
Red-Sequence Cluster Survey”. The Astrophysical Journal 655, nr. 1 (ianuarie 2007):
128134. https://doi.org/10.1086/509909.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
Goodman, Jeremy. „Geocentrism reexamined”. Physical Review D 52, nr. 4 (15 august 1995):
182127. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.52.1821.
Heusler, Markus, Piotr T. Chruściel, și João Lopes Costa. „Stationary Black Holes:
Uniqueness and Beyond”. Living Reviews in Relativity 15, nr. 1 (decembrie 2012): 7.
https://doi.org/10.12942/lrr-2012-7.
Ivanchik, A. V., A. Y. Potekhin, și D. A. Varshalovich. „The fine-structure constant: a new
observational limit on its cosmological variation and some theoretical consequences”.
arXiv:astro-ph/9810166, 10 octombrie 1998. http://arxiv.org/abs/astro-ph/9810166.
Kristian, J., și R. K. Sachs. „Observations in Cosmology”. The Astrophysical Journal 143 (1
februarie 1966): 379. https://doi.org/10.1086/148522.
Krolik, Julian Henry. Active Galactic Nuclei: From the Central Black Hole to the Galactic
Environment. Princeton University Press, 1999.
Lemaître, Abbé G. „A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius
Accounting for the Radial Velocity of Extra-Galactic Nebulæ”. Monthly Notices of the
Royal Astronomical Society 91, nr. 5 (13 martie 1931): 48390.
https://doi.org/10.1093/mnras/91.5.483.
LIGO Scientific Collaboration. „Detection of gravitational waves”, 2019.
https://www.ligo.org/detections.php.
Lyth, David H., și Antonio Riotto. „Particle physics models of inflation and the cosmological
density perturbation”. Physics Reports 314, nr. 1 (1 iunie 1999): 1146.
https://doi.org/10.1016/S0370-1573(98)00128-8.
Marck, J. A. „Shortcut method of solution of geodesic equations for schwarzschild black
hole”. Classical and Quantum Gravity 13, nr. 3 (1 martie 1996): 393402.
https://doi.org/10.1088/0264-9381/13/3/007.
Melchiorri, A., P. A. R. Ade, P. de Bernardis, J. J. Bock, J. Borrill, A. Boscaleri, B. P. Crill, et
al. „A measurement of Omega from the North American test flight of
BOOMERANG”. The Astrophysical Journal 536, nr. 2 (20 iunie 2000): L6366.
https://doi.org/10.1086/312744.
Muñoz, José A., Evencio Mediavilla, Christopher S. Kochanek, Emilio Falco, și Ana María
Mosquera. „A Study of Gravitational Lens Chromaticity with the Hubble Space
Telescope”. The Astrophysical Journal 742, nr. 2 (1 decembrie 2011): 67.
https://doi.org/10.1088/0004-637X/742/2/67.
Narayan, Ramesh, și Jeffrey E. McClintock. „Advection-dominated accretion and the black
hole event horizon”. New Astronomy Reviews, Jean-Pierre Lasota, X-ray Binaries,
Accretion Disks and Compact Stars, 51, nr. 10 (1 mai 2008): 73351.
https://doi.org/10.1016/j.newar.2008.03.002.
NASA. „Black Holes | Science Mission Directorate”, 2019.
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes.
Overbye, Dennis. „Cosmos Controversy: The Universe Is Expanding, but How Fast?” The
New York Times, 20 februarie 2017, sec. Science.
https://www.nytimes.com/2017/02/20/science/hubble-constant-universe-expanding-
speed.html.
Partridge, R. B. 3K: The Cosmic Microwave Background Radiation. Cambridge University
Press, 2007.
Peebles, P. J. E., și Bharat Ratra. „The cosmological constant and dark energy”. Reviews of
Modern Physics 75, nr. 2 (22 aprilie 2003): 559606.
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.75.559.
Quine, W. V. „On the Reasons for Indeterminacy of Translation”. The Journal of Philosophy,
1 ianuarie 1970. https://doi.org/10.2307/2023887.
Nicolae Sfetcu: Teste gravitaționale cosmologice
20
Reyes, Reinabelle, Rachel Mandelbaum, Uros Seljak, Tobias Baldauf, James E. Gunn, Lucas
Lombriser, și Robert E. Smith. „Confirmation of general relativity on large scales
from weak lensing and galaxy velocities”. Nature 464, nr. 7286 (martie 2010): 256
58. https://doi.org/10.1038/nature08857.
Romero, Gustavo E. „Philosophical Issues of Black Holes”. arXiv:1409.3318 [astro-ph,
physics:gr-qc, physics:physics], 10 septembrie 2014. http://arxiv.org/abs/1409.3318.
Ryden, Barbara. Introduction to cosmology, 2003.
http://adsabs.harvard.edu/abs/2003itc..book.....R.
Sadoulet, Bernard. „The Direct Detection of Dark Matter”. ResearchGate, 1998.
https://www.researchgate.net/publication/260854303_The_Direct_Detection_of_Dark
_Matter.
Seljak, Uros
̆, și Matias Zaldarriaga. „Signature of Gravity Waves in the Polarization of the
Microwave Background”. Physical Review Letters 78, nr. 11 (17 martie 1997): 2054
57. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2054.
Silk, Joseph. „Formation of Galaxies”. The Philosophy of Cosmology, aprilie 2017.
https://doi.org/10.1017/9781316535783.009.
Smeenk, Christopher, și George Ellis. „Philosophy of Cosmology”. În The Stanford
Encyclopedia of Philosophy, ediție de Edward N. Zalta, Winter 2017. Metaphysics
Research Lab, Stanford University, 2017.
https://plato.stanford.edu/archives/win2017/entries/cosmology/.
Song, Yong-Seon, și Olivier Doré. „A step towards testing general relativity using weak
gravitational lensing and redshift surveys”. Journal of Cosmology and Astroparticle
Physics 2009, nr. 03 (23 martie 2009): 025025. https://doi.org/10.1088/1475-
7516/2009/03/025.
Spergel, D. N., R. Bean, O. Doré, M. R. Nolta, C. L. Bennett, J. Dunkley, G. Hinshaw, et al.
„Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results: Implications
for Cosmology”. The Astrophysical Journal Supplement Series 170, nr. 2 (iunie 2007):
377408. https://doi.org/10.1086/513700.
Spergel, D. N., L. Verde, H. V. Peiris, E. Komatsu, M. R. Nolta, C. L. Bennett, M. Halpern, et
al. „First-YearWilkinson Microwave Anisotropy Probe(WMAP) Observations:
Determination of Cosmological Parameters”. The Astrophysical Journal Supplement
Series 148, nr. 1 (septembrie 2003): 175194. https://doi.org/10.1086/377226.
Springel, Volker, Simon D. M. White, Adrian Jenkins, Carlos S. Frenk, Naoki Yoshida, Liang
Gao, Julio Navarro, et al. „Simulations of the Formation, Evolution and Clustering of
Galaxies and Quasars”. Nature 435, nr. 7042 (iunie 2005): 629.
https://doi.org/10.1038/nature03597.
Thorne, Kip S., Richard H. Price, și Douglas A. MacDonald. Black holes: The membrane
paradigm, 1986. http://adsabs.harvard.edu/abs/1986bhmp.book.....T.
Wright, E. L. „What is the evidence for the Big Bang?, in Frequently Asked Questions in
Cosmology”, 2009.
http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html#BBevidence.
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
Full-text available
On September 14, 2015 at 09:50:45 UTC the two detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory simultaneously observed a transient gravitational-wave signal. The signal sweeps upwards in frequency from 35 to 250 Hz with a peak gravitational-wave strain of 1.0 × 10[superscript -21]. It matches the waveform predicted by general relativity for the inspiral and merger of a pair of black holes and the ringdown of the resulting single black hole. The signal was observed with a matched-filter signal-to-noise ratio of 24 and a false alarm rate estimated to be less than 1 event per 203 000 years, equivalent to a significance greater than 5.1σ. The source lies at a luminosity distance of 410[+160 over -180] Mpc corresponding to a redshift z = 0.09[+0.03 over -0.04]. In the source frame, the initial black hole masses are 36[+5 over -4]M[subscript ⊙] and 29[+4 over -4]M[subscript ⊙], and the final black hole mass is 62[+4 over -4]M[subscript ⊙], with 3.0[+0.5 over -0.5]M[subscript ⊙]c[superscript 2] radiated in gravitational waves. All uncertainties define 90% credible intervals. These observations demonstrate the existence of binary stellar-mass black hole systems. This is the first direct detection of gravitational waves and the first observation of a binary black hole merger.
Article
Einstein’s theory of gravity, General Relativity, has been precisely tested on Solar System scales, but the long-range nature of gravity is still poorly constrained. The nearby strong gravitational lens ESO 325-G004 provides a laboratory to probe the weak-field regime of gravity and measure the spatial curvature generated per unit mass, γ. By reconstructing the observed light profile of the lensed arcs and the observed spatially resolved stellar kinematics with a single self-consistent model, we conclude that γ = 0.97 ± 0.09 at 68% confidence. Our result is consistent with the prediction of 1 from General Relativity and provides a strong extragalactic constraint on the weak-field metric of gravity.
Chapter
Introduction Galaxies are key elements of the universe. They probe cosmology, they control our existence. The broad lines of their formation and evolution are clear. Beginning as infinitesimal density fluctuations, in the early universe, leaving the observed relic pattern of temperature fluctuations on the last scattering surface of the CMB, galaxy halos grew via gravitational instability of cold weakly interacting dark matter, within which baryons dissipated and cooled into the observed galaxies. We are piecing together the missing steps, that involve assembly of massive halos from a hierarchy of merging subhalos.Memory remains in massive halos of the substructure forged by gravity: this has been one of the major revelations to come from computer simulations of structure formation in the expanding universe. A major advance in demonstrating that galaxies formed via gravitational instability in the early universe came with the discovery of fine-scale angular fluctuations in the CMB. These were predicted as essential relics if galaxies had indeed formed by the conjectured instability. Prior to their discovery, one had no idea of the initial conditions for seeding structure formation. Thermal fluctuations in standard cosmology were known to be too small. Observations provided the seeds. The breakthrough came with the COBE satellite in 1990. This provided the proof that temperature fluctuations are present and monitor the existence of large-scale density fluctuations. These had little to do, however, with the search for the precursors of galaxies, other than giving confidence that the latter are present under the assumption of a scale-invariant density fluctuation spectrum as advocated by inflationary cosmology. The key theoretical insight indeed preceded the data. Inflationary cosmology was developed in the 1980s, and provided for the first time a coherent understanding of the size of the universe, its near-Euclidean geometry, and of the origin of the seed density fluctuations from quantum fluctuations at the Planck epoch. Even inflationary cosmology remains incomplete, since there is still no theory of quantum gravity required in order to connect Planck-scale physics rigorously with the Einstein-Friedmann-Lemâ ıtre cosmology that successfully describes the evolution of the universe. Such a connection is essential in order to understand the nature of the acceleration that couples inflation to the current acceleration of the universe, with an associated decrease in vacuum energy of some 120 orders of magnitude.
Conference Paper
Very long baseline interferometry (VLBI) is a technique for imaging celestial radio emissions by simultaneously observing a source from telescopes distributed across Earth. The challenges in reconstructing images from fine angular resolution VLBI data are immense. The data is extremely sparse and noisy, thus requiring statistical image models such as those designed in the computer vision community. In this paper we present a novel Bayesian approach for VLBI image reconstruction. While other methods often require careful tuning and parameter selection for different types of data, our method (CHIRP) produces good results under different settings such as low SNR or extended emission. The success of our method is demonstrated on realistic synthetic experiments as well as publicly available real data. We present this problem in a way that is accessible to members of the community, and provide a dataset website (vlbiimaging.csail.mit.edu) that facilitates controlled comparisons across algorithms.
Article
This paper presents cosmological results based on full-mission Planck observations of temperature and polarization anisotropies of the cosmic microwave background (CMB) radiation. Our results are in very good agreement with the 2013 analysis of the Planck nominal-mission temperature data, but with increased precision. The temperature and polarization power spectra are consistent with the standard spatially-flat 6-parameter ΛCDM cosmology with a power-law spectrum of adiabatic scalar perturbations (denoted "base ΛCDM" in this paper). From the Planck temperature data combined with Planck lensing, for this cosmology we find a Hubble constant, H0 = (67.8 ± 0.9) km s⁻¹Mpc⁻¹, a matter density parameter Ωm = 0.308 ± 0.012, and a tilted scalar spectral index with ns = 0.968 ± 0.006, consistent with the 2013 analysis. Note that in this abstract we quote 68% confidence limits on measured parameters and 95% upper limits on other parameters. We present the first results of polarization measurements with the Low Frequency Instrument at large angular scales. Combined with the Planck temperature and lensing data, these measurements give a reionization optical depth of τ = 0.066 ± 0.016, corresponding to a reionization redshift of \hbox{$z-{\rm re}=8.8{+1.7}-{-1.4}$}. These results are consistent with those from WMAP polarization measurements cleaned for dust emission using 353-GHz polarization maps from the High Frequency Instrument. We find no evidence for any departure from base ΛCDM in the neutrino sector of the theory; for example, combining Planck observations with other astrophysical data we find Neff = 3.15 ± 0.23 for the effective number of relativistic degrees of freedom, consistent with the value Neff = 3.046 of the Standard Model of particle physics. The sum of neutrino masses is constrained to â'mν < 0.23 eV. The spatial curvature of our Universe is found to be very close to zero, with | ΩK | < 0.005. Adding a tensor component as a single-parameter extension to base ΛCDM we find an upper limit on the tensor-to-scalar ratio of r0.002< 0.11, consistent with the Planck 2013 results and consistent with the B-mode polarization constraints from a joint analysis of BICEP2, Keck Array, and Planck (BKP) data. Adding the BKP B-mode data to our analysis leads to a tighter constraint of r0.002 < 0.09 and disfavours inflationarymodels with a V(φ) φ² potential. The addition of Planck polarization data leads to strong constraints on deviations from a purely adiabatic spectrum of fluctuations. We find no evidence for any contribution from isocurvature perturbations or from cosmic defects. Combining Planck data with other astrophysical data, including Type Ia supernovae, the equation of state of dark energy is constrained to w =-1.006 ± 0.045, consistent with the expected value for a cosmological constant. The standard big bang nucleosynthesis predictions for the helium and deuterium abundances for the best-fit Planck base ΛCDM cosmology are in excellent agreement with observations. We also constraints on annihilating dark matter and on possible deviations from the standard recombination history. In neither case do we find no evidence for new physics. The Planck results for base ΛCDM are in good agreement with baryon acoustic oscillation data and with the JLA sample of Type Ia supernovae. However, as in the 2013 analysis, the amplitude of the fluctuation spectrum is found to be higher than inferred from some analyses of rich cluster counts and weak gravitational lensing. We show that these tensions cannot easily be resolved with simple modifications of the base ΛCDM cosmology. Apart from these tensions, the base ΛCDM cosmology provides an excellent description of the Planck CMB observations and many other astrophysical data sets.
Article
This chapter discusses the issues related to the philosophy of cosmology. Cosmology is the study of the large-scale structure of the Universe, where "the Universe" means all that exists in a physical sense. A unique role of the universe is in creating the environment in which galaxies, stars, and planets develop, thus providing a setting in which local physics and chemistry can function in a way that enables the evolution of life on planets such as the Earth Thus cosmology considers the vast domain of galaxies, clusters of galaxies, and quasi-stellar objects--observable in the sky by use of telescopes of all kinds, examining their nature, distribution, origins, and relation to their larger environment. After a substantial outline of present day cosmology, issues are explored in the chapter based on a series of thirty-four "Theses" clustered around nine key aspects of the nature of cosmology--related to geometry, physics, and philosophy that frame the context of the philosophical issues facing cosmology and its relation to local physics.
Article
The unknown nature of ‘dark energy’ motivates continued cosmological tests of large-scale gravitational physics. We present a new consistency check based on the relative amplitude of non-relativistic galaxy peculiar motions, measured via redshift-space distortion, and the relativistic deflection of light by those same galaxies traced by galaxy–galaxy lensing. We take advantage of the latest generation of deep, overlapping imaging and spectroscopic data sets, combining the Red Cluster Sequence Lensing Survey, the Canada–France–Hawaii Telescope Lensing Survey, the WiggleZ Dark Energy Survey and the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. We quantify the results using the ‘gravitational slip’ statistic EG, which we estimate as 0.48 ± 0.10 at z = 0.32 and 0.30 ± 0.07 at z = 0.57, the latter constituting the highest redshift at which this quantity has been determined. These measurements are consistent with the predictions of General Relativity, for a perturbed Friedmann–Robertson–Walker metric in a Universe dominated by a cosmological constant, which are EG = 0.41 and 0.36 at these respective redshifts. The combination of redshift-space distortion and gravitational lensing data from current and future galaxy surveys will offer increasingly stringent tests of fundamental cosmology.