Εισαγωγή στην Κοσμολογία

Abstract

Αντικείμενο της Κοσμολογίας είναι η μελέτη της δομής και της εξέλιξης του Σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα. Το παρόν σύγγραμμα κινείται γύρω από τρεις βασικούς άξονες: 1) Πραγματοποιείται ανασκόπηση των βασικών αστρονομικών παρατηρήσεων που διαμόρφωσαν τις κοσμολογικές μας αντιλήψεις και οδήγησαν στο μοντέλο του διαστελλόμενου σύμπαντος. Στη συνέχεια, προχωρούμε με τη μελέτη Νευτώνειων προσεγγίσεων του σύμπαντος. Ακολούθως, μετά από μια σύντομη εισαγωγή στην έννοια της καμπυλότητας και με τη βοήθεια της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, εξάγονται οι εξισώσεις που περιγράφουν την εξέλιξη του σύμπαντος ανάλογα με το περιεχόμενό του. Σε αυτό το πλαίσιο παρουσιάζονται και οι βασικοί ορισμοί των αποστάσεων που χρησιμοποιούμε στην Κοσμολογία. 2) Στη συνέχεια, ακολουθούμε την πορεία του Σύμπαντος από τα πρώτα στάδια της εξέλιξής του, την αποσύνδεση των δυνάμεων, τον σχηματισμό των πρώτων στοιχείων και την εκπομπή της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου, και θα φτάσουμε μέχρι τους σκοτεινούς χρόνους και την εποχή του επανιονισμού. Μελετώνται οι φυσικοί μηχανισμοί που ερμηνεύουν αυτά τα φαινόμενα. 3) Ολοκληρώνουμε τη μελέτη μας εξετάζοντας το Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας και τις προκλήσεις που τίθενται. Εξετάζονται οι πιθανές απαντήσεις που δίνονται και τα ανοιχτά προβλήματα της Κοσμολογίας. Επιπλέον, παρουσιάζονται θέματα που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη, το φαινόμενο του βαρυτικού φακού και συζητιούνται ενδεικτικά κάποια κοσμολογικά προβλήματα που μπορούν να επιλυθούν αριθμητικά.

Cosmology is the study of the structure and the evolution of the Universe in large scale. This book covers the topic of Cosmology via three main directions. 1) The main astronomical observations that shaped our understanding of Cosmology and lead to the model of the expanding universe are discussed. Then, a Newtonian approach is presented. This is followed by a brief introduction in the concept of curvature, so that, through General Relativity, the equations governing the evolution the universe depending on its content are introduced. The main definitions of distances used in Cosmology are also presented in this context. 2) Next, we follow the evolutions of the Universe starting from its first stages, the decoupling of fundamental forces, the synthesis of the first element and the emission of the Cosmic Background Radiation reaching the dark ages and the reionisation epoch. The physical mechanisms interpreting these phenomena are studied. 3) We complete our study exploring the Standard Model of Cosmology and its challenges. We examine possible answers to open Cosmology problems. Furthermore, topics related to dark matter and gravitational lensing are presented and some cosmological problems that can be solved numerically are discussed.