Космологический горизонт

Горизонт, появляющийся в космологическом масштабе

Космологический горизонт — это мера расстояния, с которого можно было бы получить информацию. ^[1] Это наблюдаемое ограничение обусловлено различными свойствами общей теории относительности , расширяющейся Вселенной и физикой космологии Большого взрыва . Космологические горизонты устанавливают размер и масштаб наблюдаемой Вселенной . В этой статье объясняется ряд таких горизонтов.

Горизонт частиц

Горизонт частиц, также называемый космологическим горизонтом, сопутствующим горизонтом или космическим световым горизонтом, — это максимальное расстояние, с которого свет от частиц мог бы пройти до наблюдателя за время существования Вселенной . Он представляет собой границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми областями Вселенной, поэтому его расстояние в настоящую эпоху определяет размер наблюдаемой Вселенной. Из-за расширения Вселенной это не просто возраст Вселенной, умноженный на скорость света, как в горизонте Хаббла, а скорее скорость света , умноженная на конформное время. Существование, свойства и значение космологического горизонта зависят от конкретной космологической модели.

В терминах сопутствующего расстояния горизонт частиц равен конформному времени, прошедшему с момента Большого взрыва, умноженному на скорость света. В общем случае конформное время в определенное время задается в терминах масштабного фактора как, или Горизонт частиц - это граница между двумя областями в точке в определенное время: одна область определяется событиями, которые уже наблюдались наблюдателем, а другая - событиями, которые не могут наблюдаться в это время . Он представляет собой самое дальнее расстояние, с которого мы можем извлечь информацию из прошлого, и таким образом определяет наблюдаемую вселенную. ^[1] ${\displaystyle a}$ $${\displaystyle \eta (t)=\int _{0}^{t}{\frac {dt'}{a(t')}}}$$ $${\displaystyle \eta (a)=\int _{0}^{a}{\frac {1}{a'H(a')}}{\frac {da'}{a'}}\,.}$$

горизонт Хаббла

Радиус Хаббла, сфера Хаббла (не путать с пузырем Хаббла ), объем Хаббла или горизонт Хаббла — это концептуальный горизонт, определяющий границу между частицами, которые движутся медленнее и быстрее скорости света относительно наблюдателя в один момент времени. Обратите внимание, что это не означает, что частица ненаблюдаема; свет из прошлого достигает и будет продолжать достигать наблюдателя в течение некоторого времени. Также, что более важно, в текущих моделях расширения свет, испускаемый радиусом Хаббла, достигнет нас за конечное время.

Распространенное заблуждение, что свет из радиуса Хаббла никогда не сможет достичь нас. В моделях, предполагающих уменьшение со временем (некоторые случаи вселенной Фридмана ), в то время как частицы на радиусе Хаббла удаляются от нас со скоростью света, радиус Хаббла со временем увеличивается, поэтому свет, излучаемый к нам частицей на радиусе Хаббла, некоторое время спустя окажется внутри радиуса Хаббла. В таких моделях только свет, излучаемый из космического горизонта событий или дальше, никогда не достигнет нас за конечное время. ${\displaystyle H}$

Скорость Хаббла объекта определяется законом Хаббла , заменяя на скорость света и решая для надлежащего расстояния, мы получаем радиус сферы Хаббла как В постоянно ускоряющейся Вселенной, если две частицы разделены расстоянием, большим, чем радиус Хаббла, они не могут общаться друг с другом с этого момента (как сейчас, а не как в прошлом). Однако, если они находятся за пределами горизонта частиц друг друга, они никогда не могли бы общаться. ^[2] В зависимости от формы расширения Вселенной, они могут обмениваться информацией в будущем. Сегодня, давая горизонт Хаббла около 4,1 гигапарсека. Этот горизонт на самом деле не является физическим размером, но он часто используется в качестве полезной шкалы длины, поскольку большинство физических размеров в космологии можно записать в терминах этих факторов. $${\displaystyle v=xH.}$$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle c}$ ${\textstyle x}$ $${\displaystyle r_{\text{HS}}(t)={\frac {c}{H(t)}}\,.}$$ $${\displaystyle r_{\text{HS}}(t_{0})={\frac {c}{H_{0}}}\,,}$$

Можно также определить сопутствующий горизонт Хаббла, просто разделив радиус Хаббла на масштабный коэффициент $${\displaystyle r_{{\text{HS}},\mathrm {comoving} }(t)={\frac {c}{a(t)H(t)}}\,.}$$

Горизонт событий

Горизонт частиц отличается от космического горизонта событий тем, что горизонт частиц представляет собой наибольшее сопутствующее расстояние , с которого свет мог бы достичь наблюдателя к определенному времени, в то время как космический горизонт событий представляет собой наибольшее сопутствующее расстояние, с которого свет, испускаемый сейчас, может когда-либо достичь наблюдателя в будущем. ^[3] Текущее расстояние до нашего космического горизонта событий составляет около пяти гигапарсеков (16 миллиардов световых лет), что вполне в пределах нашего наблюдаемого диапазона, заданного горизонтом частиц. ^[4]

В общем случае правильное расстояние до горизонта событий в момент времени определяется выражением ^[5] , где — временная координата конца Вселенной, которая была бы бесконечной в случае вечно расширяющейся Вселенной. ${\displaystyle t}$ $${\displaystyle d_{e}(t)=a(t)\int _{t}^{t_{\text{max}}}{\frac {cdt'}{a(t')}}}$$ ${\displaystyle t_{\text{max}}}$

В нашем случае, предполагая, что темная энергия обусловлена ​​космологической постоянной Λ , будет минимальный параметр Хаббла H _e и максимальный горизонт d _e , который часто называют единственным горизонтом частиц: $${\displaystyle \max(d_{e})={\frac {c}{H_{e}}}=c{\sqrt {\frac {3}{\Lambda }}}={\frac {c}{{\sqrt {\Omega _{\Lambda }}}H_{0}}}=17.55\ {\textrm {Gly}}.}$$

Достижимая Вселенная как функция времени и расстояния в контексте расширяющейся Вселенной.

Горизонты будущего

В ускоряющейся Вселенной есть события, которые будут ненаблюдаемыми, поскольку сигналы от будущих событий смещаются в красную область до произвольно больших длин волн в экспоненциально расширяющемся пространстве де Ситтера . Это устанавливает предел на самое дальнее расстояние, которое мы можем видеть, измеряемое в единицах собственного расстояния сегодня. Или, точнее, есть события, которые пространственно разделены для определенной системы отсчета, происходящие одновременно с событием, происходящим прямо сейчас, для которого никакой сигнал никогда не дойдет до нас, хотя мы можем наблюдать события, которые происходили в том же месте пространства, что и в далеком прошлом. ^[6] ${\displaystyle t\rightarrow \infty }$

В то время как мы продолжим получать сигналы из этого места в космосе, даже если мы будем ждать бесконечное количество времени, сигнал, который ушел из этого места сегодня, никогда не дойдет до нас. Сигналы, исходящие из этого места, будут иметь все меньше и меньше энергии и будут все реже и реже, пока это место, для всех практических целей, не станет ненаблюдаемым. Во вселенной, в которой доминирует темная энергия , которая претерпевает экспоненциальное расширение масштабного фактора , все объекты, которые гравитационно не связаны по отношению к Млечному Пути, станут ненаблюдаемыми, в футуристической версии вселенной Каптейна . ^[6]

Практические горизонты

Хотя технически это не «горизонт» в смысле невозможности наблюдений из-за теории относительности или космологических решений, существуют практические горизонты, которые включают оптический горизонт, установленный на поверхности последнего рассеяния . Это самое дальнее расстояние, на которое может свободно распространяться любой фотон. Аналогично существует «нейтринный горизонт», установленный для самого дальнего расстояния, на которое может свободно распространяться нейтрино , и гравитационно-волновой горизонт на самом дальнем расстоянии, на которое могут свободно распространяться гравитационные волны . Последний, как предсказывают, является прямым зондом конца космической инфляции .

Смотрите также

• Убийственный горизонт

Ссылки

1. Маргалеф-Бентабол, Берта; Маргалеф-Бентабол, Хуан; Чепа, Хорди (8 февраля 2013 г.). «Эволюция космологических горизонтов во Вселенной со счетным и бесконечным числом уравнений состояния». Журнал космологии и физики астрочастиц . 015. 2013 (2): 015. arXiv : 1302.2186 . Бибкод : 2013JCAP...02..015M. дои : 10.1088/1475-7516/2013/02/015. ISSN  1475-7516. S2CID  119614479.
2. Додельсон, Скотт (2003). Современная космология . Сан-Диего, Калифорния: Academic Press . стр. 146. ISBN 978-0-12-219141-1.
3. Бергстрём, Л.; Губар, Ариэль (1999). Космология и астрофизика частиц . Серия Wiley-Praxis по астрономии и астрофизике. Чичестер; Нью-Йорк: Чичестер: Wiley; Praxis Pub. стр. 65. ISBN 978-0-471-97041-5.
4. Lineweaver, Charles H.; Davis, Tamara M. (март 2005 г.). «Заблуждения о Большом взрыве». Scientific American . 292 (3): 36–45. Bibcode : 2005SciAm.292c..36L. doi : 10.1038/scientificamerican0305-36. ISSN  0036-8733.
5. Джованнини, Массимо (2008). Учебник по физике космического микроволнового фона . Сингапур; Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. стр. 70. ISBN 978-981-279-142-9. OCLC  191658608.
6. Krauss, Lawrence M.; Scherrer, Robert J.; Cepa, Jordi (2007). «Возвращение статической Вселенной и конец космологии». Общая теория относительности и гравитация . 39 (10): 1545. arXiv : 0704.0221 . Bibcode : 2007GReGr..39.1545K. doi : 10.1007/s10714-007-0472-9. S2CID  123442313.

Внешние ссылки

• Клаубер, Роберт Д. (9 октября 2018 г.). «Горизонты в космологии» (PDF) .