Космологічний принцип — припущення сучасної космології, згідно з яким кожен спостерігач у визначений момент часу, незалежно від місця та напрямку спостереження виявляє у Всесвіті одну і ту ж великомасштабну структуру. Незалежність від місця спостережень, тобто рівноправність усіх точок простору, носить назву однорідності, незалежність від напрямку, тобто відсутність виділеного напрямку в просторі — ізотропії Всесвіту.

Космологічний принцип виконується лише наближено. Скупчення галактик, галактики, зорі, планети є відхиленнями від однорідності Всесвіту, оскільки їхнє існування означає, що фізичні умови в різних точках різні. Проте припускають, що на масштабах у кілька сотень мільйонів світлових років відхилення від однорідності й ізотропії малі.

Це випливає з очікування, що фундаментальні сили на великих масштабах діють однаково в усьому Всесвіті й, отже, не повинні породжувати спостережуваних відмінностей у великомасштабній структурі під час еволюції поля матерії, закладеного під час Великого вибуху.

Формулювання За словами космолога Ендрю Ліддла, космологічний принцип, грубо кажучи, означає, що «Всесвіт виглядає однаково незалежно від того, хто ви і де перебуваєте». Поширене формулювання космологічного принципу постулює, що «за достатньо великого масштабу властивості Всесвіту є однаковими для всіх спостерігачів». Це трердження має не тільки фізичний, але й філософський зміст. Зокрема, воно припускає, що та частина Всесвіту, яку ми можемо спостерігати, є репрезентативною, і що по всьому Всесвіту діють ті ж самі фізичні закони.

Двома перевірюваними наслідками космологічного принципу є однорідність та ізотропія. Однорідність означає, що Всесвіт виглядає однаково різних точках. Ізотропія — однаковість у всіх напрямках — означає, що ті Всесвіт виглядає однаково в усіх напрямках. З ізотропії автоматично випливає однорідність, але не навпаки.

Розширенням космологічного принципу є досконалий космологічний принцип, який стверджує, що Всесвіт є однорідним та ізотропним не тільки у просторі, але й у часі, тобто Всесвіт виглядає однаково не лише всюди в просторі (на великих масштабах), а й у будь-який момент минулого, теперішнього та майбутнього. Досконалий космологічний принцип відкидає Великий вибух як виділений момент минулого й не входить до стандартної космологічної моделі ΛCDM. Однак лежить в основі застарілою теорії стаціонарного Всесвіту, а також випливає з сучасної хаотичної теорії інфляції.

Роль у космології Космологічний принцип є одним з наріжних каменів сучасної космології. 1923 року Олександр Фрідман запропонував варіант розв'язання рівнянь загальної теорії відносності, які описують динаміку однорідного ізотропного Всесвіту.. Жорж Леметр незалежно від нього вивів рівняння розширюваного Всесвіту 1927 року translated by A. S. Eddington: . Отже, нестатичність Всесвіту випливає також незалежно від спостережень далеких галактик — як наслідок застосування космологічного принципу в межах загальної теорії відносності.

Починаючи з 1990-х років, спостереження, виконані в припущенні справедливості космологічного принципу, привели до висновку, що близько 68 % густини маси–енергії Всесвіту припадає на темну енергію, що зумовило розроблення стандартної космологічної моделі ΛCDM.

Спроби підтвердження і спростування

Хоча на малих масштабах Всесвіт є неоднорідним, згідно з моделлю ΛCDM він має бути ізотропним і статистично однорідним на масштабах, більших за приблизно 250 мільйонів світлових років. Деякі нещодавні результати (зокрема так звана «Вісь зла») свідчать про можливі порушення космологічного принципу у Всесвіті й тим самим ставлять під сумнів модель ΛCDM. Деякі автори навіть припускають, що космологічний принцип нині застарів, а метрика Фрідмана — Леметра — Робертсона — Вокера непридатна для опису пізнього Всесвіту.

Можливі порушення однорідності Космологічний принцип передбачає, що на достатньо великих масштабах Всесвіт є однорідним. Моделювання задачі N тіл у моделі ΛCDM показують, що просторовий розподіл галактик є статистично однорідним, якщо усереднювати його за масштабами 260/h Мпк або більше, де h≈0.7 — зведена стала Габбла.

Деякі найбільші спостережувані великомасштабні структури інтерпретували як такі, що суперечать передбаченням для максимально можливих розмірів космічних структур. До таких, зокрема, належать:

, відкрита 1991 року, має протяжність 580 Мпк і є лише трохи більшою за очікуваний розмір найбільших структур. Велика стіна Слоуна, відкрита 2003 року, має довжину 423 Мпк, що ледь узгоджується з космологічним принципом.  — велика група квазарів, відкрита 2011 року, має довжину 780 Мпк, що вдвічі перевищує верхню межу розміру структур. Велетенська група квазарів, відкрита 2012 року, утричі довша і вдвічі ширша, ніж це допускається сучасними моделями. Велика стіна Геркулеса — Північної Корони, відкрита 2013 року, має розмір 2000–3000 Мпк (у понад сім разів більшу за Велику стіну Слоуна), що також ставить під сумнів справедливість космологічного принципу. У вересні 2020 року було виявлено розбіжність на рівні 4,9σ між кінематичним поясненням диполя реліктового випромінювання та вимірюванням диполя в кутовому розподілі потоку у повновибірковій всенебесній вибірці з 1,36 мільйона квазарів. Гігантська арка, відкрита 2021 року, має протяжністю близько 1000 Мпк. Велике кільце, відкрите 2024 року, має діаметр 1,3 мільярда світлових років, що відповідає кутовому розміру приблизно 15 повних Місяців на небі.

Втім на основі статистичного аналізу зазначають, що існування структур, більших за очікуваний максимальний розмір (близько 260/h Мпк), не обов'язково порушує космологічний принцип у межах моделі ΛCDM.

Можливі порушення ізотропії Ізотропія Всесвіту з високою статистичною значущістю підтверджується на основі карт температури реліктового випромінювання. Хоча дані космічного телескопа «Планк» виявляють певну різницю флуктуацій температури реліктового випромінювання між двома півкулями неба, ця різниця не суперечить ізотропії на статистично значущому рівні. Також висували тези про порушення ізотропії, виявлені за даними для скупчень галактик, квазарів, а також наднових типу Ia.

Диполь реліктового випромінювання

Наймасштабнішою неоднорідністю реліктового випромінювання є його дипольна анізотропія; через її велику амплітуду її зазвичай віднімають з карт реліктового випромінювання. Стандартне тлумачення диполя полягає в тому, що він має кінематичне походження й зумовлений ефектом Доплера, спричиненим рухом Сонячної системи відносно системи відліку реліктового випромінювання.

Низка досліджень повідомляли про виявлення дипольних структур у великомасштабному розподілі галактик, які узгоджуються з напрямком диполя реліктового випромінювання, але мають більшу амплітуду, ніж очікується з огляду на швидкість, визначену з диполя реліктового випромінювання. Подібний диполь спостерігається і в даних для радіогалактик; однак амплітуда диполя залежить від частоти спостережень, що свідчить про те, що ці аномальні особливості не можуть бути суто кінематичними. Водночас інші автори виявили радіодиполі, які узгоджуються з очікуваннями на основі реліктового випромінювання. Додаткові твердження щодо анізотропії вздовж осі диполя реліктового випромінювання висували на основі аналізу діаграми Габбла для наднових типу Ia та квазарів. Окремо напрямок диполя реліктового випромінювання проявляється як привілейований у деяких дослідженнях поляризацій квазарів, затримок часу при сильному гравітаційному лінзуванні, а також у вибірках наднових типу Ia та інших стандартних свічок. Деякі автори стверджують, що кореляція віддалених ефектів із напрямком диполя може вказувати на його некінематичне походження.

З іншого боку, дані космічного апарата «Планк» використали для незалежної оцінки швидкості відносно реліктового випромінювання шляхом вимірювання слабких аберацій і спотворень флуктуацій, спричинених та окремо з використанням ефекту Сюняєва—Зельдовича. Ці дослідження дали значення швидкості, узгоджене з тим, що отримується з диполя, що свідчить про його повністю кінематичну природу. Вимірювання поля швидкостей галактик у локальному Всесвіті показують, що на малих масштабах галактики рухаються разом із Місцевою групою, а середня швидкість зменшується зі збільшенням відстані. Це відповідає очікуванням у разі, якщо диполь реліктового випромінювання зумовлений локальним полем власних швидкостей, яке стає більш однорідним на великих масштабах. Огляди локального об'єму також виявили область зниженої густини в напрямку, протилежному диполю реліктового випромінювання, що може пояснювати походження локального потоку швидкостей галактик.

Філософські заперечення Карл Поппер критикував космологічний принцип з філософських позицій, на тій підставі, що він перетворює нашу відсутність знань про анізотропію та неоднорідність Всесвіту на ілюзію знання чогось. Зрештою він підсумовував: «„Космологічні принципи“, боюся, були догмами, яких не слід було висувати»Helge Kragh: «The most philosophically of all the sciences»: Karl Popper and physical cosmology (2012).

Примітки