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L'Universo è comunemente definito come il complesso che racchiude tutto lo spazio e ciò che contiene, cioè la materia e l'energia, i pianeti, le stelle, le galassie e il contenuto dello spazio intergalattico.L'osservazione scientifica dell'Universo, la cui parte osservabile ha un diametro di circa 92 miliardi di anni luce, suggerisce che esso sia stato governato dalle stesse leggi e costanti fisiche per la maggior parte della sua storia e in tutta la sua estensione osservabile, e permette inferenze sulle sue fasi iniziali. La teoria del Big Bang è il più accreditato modello cosmologico che descrive la sua nascita; si calcola che tale evento sia avvenuto, visto dalla nostra cornice temporale locale, circa 13,8 miliardi di anni fa.La massima distanza teoricamente osservabile è contenuta nell'universo osservabile. Osservazioni di supernove hanno dimostrato che questo, almeno nella regione contenente l'universo osservabile, sembra espandersi a un ritmo crescente, e una serie di modelli sono sorti per prevederne il destino finale. I fisici sono incerti su che cosa abbia preceduto il Big Bang; molti si rifiutano di speculare, dubitando che si potranno mai trovare informazioni relative allo stato originario. Alcuni propongono modelli di universo ciclico, altri descrivono uno stato iniziale senza confini, da cui è emerso e si è espanso lo spaziotempo al momento del Big Bang. Alcune speculazioni teoriche sul multiverso di cosmologi e fisici ipotizzano che il nostro universo sia solo uno tra i molti che possono esistere.

Secondo la tesi più accreditata nella comunità scientifica, la storia dell'universo si può far iniziare con un evento spiegato dalla «teoria del Big Bang» dello scienziato Georges Lemaître, successivamente supportata e sviluppata da George Gamow. Secondo tale teoria l'universo, durante la sua nascita, da un punto di infinita densità si sarebbe espanso autogenerandosi (una metafora molto usata, sebbene impropria, per descrivere questo fenomeno è quella di una colossale esplosione), questo fenomeno è detto "Big Bang" (espressione coniata da Fred Hoyle). Una delle prove a sostegno di questa ipotesi è la radiazione diffusa che ancora persiste dall'ipotetico inizio dell'universo. Lo stato della materia prima del Big Bang non è descrivibile in termini fisici, trovandosi essa in uno stato chiamato dai fisici "singolarità". Mentre le ipotesi sul futuro dell'universo variano dall'espansione illimitata ad un fenomeno oscillante di espansione-contrazione, possibile conseguenza di un universo chiuso, niente si conosce di ciò che è accaduto prima del Big Bang: probabilmente il tempo è nato in quel momento. L'interpretazione sulle origini dell'universo è una questione al confine tra scienza e filosofia: la possibilità di una validazione empirica delle varie ipotesi risulta spesso ardua se non impossibile. Alcune di queste teorie postulano cicli infiniti di morte e rinascite dell'universo, altre addirittura postulano l'esistenza non solo del nostro ma di altri universi.

La storia dell'astronomia, probabilmente la più antica delle scienze naturali, si perde nell'alba dei tempi, antica quanto l'origine dell'uomo. Il desiderio di conoscenza ha sempre incentivato gli studi astronomici sia per motivazioni religiose o divinatorie, sia per la previsione degli eventi: agli inizi l'astronomia coincide con l'astrologia, rappresentando allo stesso tempo uno strumento di conoscenza e potere; solo dopo l'avvento del metodo scientifico si è giunti a una separazione disciplinare netta tra astronomia e astrologia. Fin dai tempi antichi, gli uomini hanno appreso molti dati sull'universo semplicemente osservando il cielo; i primi astronomi si servirono unicamente della propria vista o di qualche strumento per calcolare la posizione degli astri. Nelle società più antiche la comprensione dei "meccanismi celesti" contribuì alla creazione di un calendario legato ai cicli stagionali e lunari, con conseguenze positive per l'agricoltura. Sapere in anticipo il passaggio da una stagione all'altra era di fondamentale importanza per le capacità di sopravvivenza dell'uomo antico. Pertanto l'investigazione della volta celeste ha costituito da sempre un importante legame tra cielo e terra, tra uomo e Dio. Con l'invenzione del telescopio l'uomo è riuscito ad indagare più a fondo sulle dinamiche celesti, aprendo finalmente una "finestra" sull'universo e le sue regole. Sarà poi l'evoluzione tecnica e l'avvio delle esplorazioni spaziali ad ampliare ulteriormente il campo di indagine e le conoscenze del cosmo.

Lo spazio cosmico (da qui in avanti chiamato spazio) è il vuoto che esiste tra i corpi celesti. In realtà non è completamente vuoto, ma contiene una bassa densità di particelle: soprattutto plasma di idrogeno ed elio, radiazione elettromagnetica, campi magnetici, raggi cosmici e neutrini. La teoria suggerisce che contenga anche materia oscura ed energia oscura. Nello spazio intergalattico, la densità della materia può essere ridotta a pochi atomi di idrogeno per metro cubo. La temperatura di base, come fissato dalla radiazione di fondo lasciata dal Big Bang, è di soli 3 K (−270,15 °C); al contrario, le temperature nelle corone delle stelle possono raggiungere oltre un milione di kelvin. Plasma con una densità estremamente bassa e temperatura alta, come quelle del medium intergalattico tiepido-caldo e del medium tra ammassi di galassie, rappresenta la maggior parte della materia barionica comune nello spazio; concentrazioni locali si sono evolute in stelle e galassie. Lo spazio intergalattico occupa la maggior parte del volume dell'universo, ma anche le galassie e i sistemi stellari sono composti quasi interamente da spazio vuoto. I viaggi spaziali sono ancora limitati alle vicinanze del sistema solare; il resto dello spazio, a parte l'osservazione passiva con telescopi, rimane inaccessibile all'uomo. Non c'è un confine netto da cui comincia lo spazio giacché l'atmosfera terrestre sfuma più o meno gradatamente verso lo spazio stesso in virtù del decremento di forza di gravità. Tuttavia la linea Kármán, a un'altezza di 100 chilometri sopra il livello del mare nell'atmosfera terrestre, è convenzionalmente utilizzata come l'inizio dello spazio a uso dei trattati spaziali e per tenere traccia dei record aerospaziali. Il quadro di riferimento per il diritto spaziale internazionale è stato istituito dal Trattato sullo spazio extra-atmosferico, approvato dalle Nazioni Unite nel 1967. Questo trattato proibisce qualsiasi rivendicazione di sovranità nazionale e permette a tutti gli Stati di esplorare lo spazio liberamente. Nel 1979, il trattato sulla Luna ha reso le superfici di oggetti come i pianeti, così come lo spazio orbitale attorno a questi corpi, giurisdizione della comunità internazionale. Ulteriori delibere riguardanti lo spazio sono state redatte dalle Nazioni Unite, senza tuttavia aver escluso il dislocamento di armi nello spazio.

L'eliocentrismo (dal greco ἥλιος hḕlios, sole, e κέντρον kèntron, centro) è una teoria astronomica che ipotizza che il Sole sia al centro del sistema solare e dell'universo (la distinzione fra sistema solare ed universo non è stata chiara fino a tempi recenti, ma estremamente importante nelle controversie cosmologiche e religiose), e che i pianeti vi girino intorno. L'eliocentrismo è opposto al geocentrismo, che pone invece la Terra al centro dell'universo. In realtà secondo la visione moderna della fisica non ha significato parlare del moto di un corpo senza aver prima fissato un sistema di riferimento: la scelta del sistema di riferimento è del tutto arbitraria e scelte diverse implicano descrizioni diverse del moto dei pianeti. La scelta di far coincidere l'origine del sistema di riferimento con l'osservatore terrestre è la più naturale e spontanea, d'altra parte la descrizione del moto dei pianeti e del Sole attorno alla Terra è decisamente più complicata, ragione per la quale l'eliocentrismo viene ormai universalmente accettato per descrivere i moti del sistema solare.

L'astronomia è la scienza che si occupa dell'osservazione e della spiegazione degli eventi celesti. Studia le origini e l'evoluzione, le proprietà fisiche, chimiche e temporali degli oggetti che formano l'universo e che possono essere osservati sulla sfera celeste. È una delle scienze più antiche e molte civiltà arcaiche in tutto il mondo hanno studiato in modo più o meno sistematico il cielo e gli eventi astronomici: egizi e greci nell'area mediterranea, babilonesi, indiani e cinesi nell'Oriente, fino ai maya e agli incas nelle Americhe. Questi antichi studi astronomici erano orientati verso lo studio delle posizioni degli astri (astrometria), la periodicità degli eventi e la cosmologia e quindi, in particolare per questo ultimo aspetto, l'astronomia antica è quasi sempre fortemente collegata con aspetti religiosi. Oggi, invece, la ricerca astronomica moderna è praticamente sinonimo di astrofisica. L'astronomia non va confusa con l'astrologia, una pseudoscienza che sostiene che i moti apparenti del Sole e dei pianeti nello zodiaco influenzino in qualche modo gli eventi umani, personali e collettivi. Anche se le due discipline hanno un'origine comune, esse sono totalmente differenti: gli astronomi hanno abbracciato il metodo scientifico sin dai tempi di Galileo, a differenza degli astrologi. L'astronomia è una delle poche scienze in cui il lavoro di ricerca del dilettante e dell'amatore (l'astrofilo) può giocare un ruolo rilevante, fornendo dati sulle stelle variabili o scoprendo comete, nove, supernove, asteroidi o altri oggetti.

Plutone è un pianeta nano orbitante nella parte esterna del sistema solare, nella fascia di Kuiper. Scoperto da Clyde Tombaugh nel 1930, è stato considerato per 76 anni il nono pianeta del sistema solare. Il suo status di pianeta venne messo in discussione dal 1992, in seguito all'individuazione di diversi oggetti di dimensioni simili nella fascia di Kuiper; la scoperta di Eris nel 2005, un pianeta nano del disco diffuso che è il 27% più massiccio di Plutone, ha portato infine l'Unione Astronomica Internazionale a riconsiderare, dopo un acceso dibattito, la definizione di pianeta, e a riclassificare così Plutone come pianeta nano l'anno successivo.Plutone è il sedicesimo per grandezza e il diciassettesimo per massa corpo celeste del sistema solare, ed è il più grande dei pianeti nani e degli oggetti transnettuniani conosciuti, in ambedue le categorie è superato come massa da Eris. Presenta massa e dimensioni inferiori a quelle dei maggiori satelliti naturali del sistema solare: i satelliti medicei di Giove, Titano, Tritone e la Luna. Confrontato con quest'ultima, la sua massa è pari solo ad un sesto e il suo volume ad un terzo. Come gli altri oggetti della fascia di Kuiper, Plutone è principalmente costituito da ghiaccio e roccia.La sua orbita è piuttosto eccentrica e inclinata rispetto al piano dell'eclittica, mentre la sua distanza dal Sole varia da 30 a 49 UA. Periodicamente Plutone, durante il suo perielio, viene a trovarsi più vicino al Sole di Nettuno, tuttavia essendo in risonanza orbitale 2:3 con esso, non gli si avvicina mai a meno di 17 UA.Plutone ha cinque lune conosciute: Caronte (la più grande, con un diametro che è poco più della metà del suo), Stige, Notte, Cerbero e Idra. Plutone e Caronte vengono considerati un sistema binario o un pianeta doppio, poiché il baricentro del sistema giace al di fuori di entrambi.Il 14 luglio 2015, la sonda New Horizons è diventata la prima navicella spaziale a sorvolare Plutone, effettuando misure e osservazioni dettagliate del pianeta nano e delle sue lune. Nel settembre 2016, gli astronomi hanno annunciato che la calotta bruno-rossastra che ricopre il polo nord di Caronte è composta da toline, macromolecole organiche che possono essere ingredienti per la vita, e che, rilasciate dall'atmosfera di Plutone, precipitano su Caronte a 19 000 km di distanza.

La cosmologia è la scienza che ha come oggetto di studio l'universo nel suo insieme, del quale tenta di spiegare in particolare origine ed evoluzione. In questo senso, è strettamente collegata con la cosmologia intesa come branca della filosofia. In senso ontologico questa ha il compito di correggere o espungere la miriade di teorie metafisiche o religiose sulle origini del mondo. Trae le sue radici storiche nelle narrazioni religiose sull'origine di tutte le cose (cosmogonie) e nei grandi sistemi filosofico-scientifici pre-moderni (come il sistema tolemaico). Attualmente è una scienza fisica nella quale convergono diverse discipline, quali l'astronomia, l'astrofisica, la fisica delle particelle, la relatività generale.

Le teorie della gravità bimetrica sono teorie alternative della gravità in cui vengono utilizzati due o più tensori invece di un solo tensore metrico. Spesso la seconda metrica viene introdotta solo ad alte energie, supponendo che la velocità della luce possa dipendere dall'energia. Gli esempi più famosi di teorie bimetriche sono la teoria di Rosen e la teoria relativistica della gravità (l'ultima è nell'interpretazione canonica). La gravità bimetrica, o bigravità, si riferisce a due diverse teorie. La prima serie di teorie si basa su teorie matematiche modificate della gravità in cui vengono utilizzati due tensori metrici invece di uno. Una seconda metrica può essere introdotta per stati ad alta densità di energia, il che implica che la velocità della luce può dipendere dalla densità di energia, il che permette ai modelli di utilizzare una velocità variabile della luce. In questi casi, la seconda metrica si riferisce al gravitone, particelle ipotetiche con massa, e anche in alcuni studi sullo "spettro di massa". Si tratta di una continuazione della teoria della gravità massiva. Esistono diverse teorie bimetriche con gravitoni massicci, come quelle attribuite a Nathan Rosen. Al contrario, le teorie della gravità bimetrica del secondo insieme non si basano su gravitoni massicci e non cambiano le leggi di Newton, ma descrivono l'Universo come varietà, che ha due metriche riemanniane collegate, dove la materia che abita due settori, interagisce con la gravità, anche tra i due lati dell'Universo. La gravità repulsiva o antigravità sorge se la topologia in questione e l'approssimazione newtoniana di massa negativa e stato di energia negativa introducono la cosmologia come alternativa alla materia oscura e all'energia oscura. Alcuni di questi modelli cosmologici utilizzano anche velocità variabili della luce in uno stato di alta densità energetica dell'era della radiazione, sfidando l'ipotesi di inflazione cosmica. In risposta ai limiti della teoria della gravità standard usata per descrivere l'universo in un modello cosmologico, i cosmologi si sono sviluppati per diversi decenni, da teorie alternative a un modello standard di cosmologia. Anche il modello standard a particelle ha dei limiti. Tra gli scienziati che hanno lavorato su alcune teorie sulla gravità bimetrica di Nathan Rosen dal 1940 in poi, Jean-Pierre Petit, Mordechai Milgrom con una versione bimetrica della teoria MOND, Gabriel Chardin, Abdus Salam (Premio Nobel per la Fisica nel 1979), A. D. Linde, I.T. Drummond, J. Moffat, Frédéric Henry-Couannier, Thibault Damour, Luc Blanchet altrimenti Sabine Hossenfelder. Inoltre, il lavoro preliminare di Hermann Bondi e Andrei Sakharov è molto spesso citato dagli autori che hanno sviluppato queste teorie, in quanto forniscono un quadro concettuale con il quale queste teorie bimetriche devono confrontarsi. Recentemente, lo sviluppo di eventi nel campo della gravità massiva ha portato anche all'emergere di nuove teorie successive sulla gravità bimetrica. Anche se non è stato dimostrato che la registrazione delle osservazioni fisiche è più accurata o più coerente della teoria generale della relatività, la teoria di Rosen si è dimostrata incompatibile con le osservazioni della pulsar binaria Hulse-Taylor. Alcune di queste teorie conducono recentemente al modello inflazionistico dell'Universo e sono quindi un'alternativa all'energia oscura.