Проблема горизонта

Проблема космологической тонкой настройки

Когда мы смотрим на реликтовое излучение , оно исходит из 46 миллиардов световых лет от нас. Однако на момент испускания света Вселенная была намного моложе (300 000 лет). За это время свет достиг бы лишь меньших кругов. Две точки, указанные на схеме, не смогли бы соприкасаться друг с другом, поскольку их сферы причинности не пересекаются.

Проблема горизонта (также известная как проблема однородности ) — это космологическая проблема тонкой настройки в рамках модели Вселенной Большого взрыва . Оно возникает из-за сложности объяснения наблюдаемой однородности причинно несвязанных областей пространства при отсутствии механизма, задающего везде одни и те же начальные условия. Впервые на это указал Вольфганг Риндлер в 1956 году. ^[1]

Наиболее общепринятым решением является космическая инфляция . Различные решения предлагают циклическую Вселенную или переменную скорость света .

Фон

Астрономические расстояния и горизонты частиц

Расстояния наблюдаемых объектов на ночном небе соответствуют временам в прошлом. Для описания этих космологических расстояний мы используем световой год (расстояние, которое свет может пройти за один земной год). Галактика размером в десять миллиардов световых лет кажется нам такой, какой она была десять миллиардов лет назад, потому что свету потребовалось столько времени, чтобы добраться до наблюдателя. Если посмотреть на галактику, находящуюся на расстоянии десяти миллиардов световых лет в одном направлении, а другую — в противоположном, общее расстояние между ними составит двадцать миллиардов световых лет. Это означает, что свет от первого еще не достиг второго, потому что Вселенной всего около 13,8 миллиардов лет. В более общем смысле, существуют части Вселенной, которые видимы для нас, но невидимы друг для друга, и находятся за пределами соответствующих горизонтов частиц друг друга .

Причинное распространение информации

В общепринятых релятивистских физических теориях никакая информация не может перемещаться быстрее скорости света . В этом контексте «информация» означает «любой вид физического взаимодействия». Например, тепло естественным образом перетекает из более горячей области в более холодную, и с точки зрения физики это один из примеров обмена информацией. Учитывая приведенный выше пример, две рассматриваемые галактики не могли иметь никакой общей информации; они не находятся в причинном контакте . В отсутствие общих начальных условий можно было бы ожидать, что их физические свойства будут разными и, в более общем плане, что Вселенная в целом будет иметь различные свойства в причинно несвязанных регионах.

Проблема горизонта

Вопреки этому ожиданию, наблюдения космического микроволнового фона (CMB) и обзоры галактик показывают, что наблюдаемая Вселенная почти изотропна , что, согласно принципу Коперника , также подразумевает однородность . ^[2] Обзоры неба реликтового излучения показывают, что температуры реликтового излучения скоординированы до уровня где разница между наблюдаемой температурой в определенной области неба и средней температурой неба . Эта координация подразумевает, что все небо и, следовательно, вся наблюдаемая Вселенная должны были быть причинно связаны достаточно долго, чтобы Вселенная пришла в тепловое равновесие. ${\displaystyle \Delta T/T\approx 10^{-5},}$ ${\displaystyle \Delta T}$ ${\displaystyle T}$

Согласно модели Большого взрыва, когда плотность расширяющейся Вселенной упала, она в конечном итоге достигла температуры, при которой фотоны вышли из теплового равновесия с материей; они отделились от электрон-протонной плазмы и начали свободно течь по Вселенной. Этот момент времени называется эпохой рекомбинации , когда электроны и протоны стали связываться, образуя электрически нейтральный водород; без свободных электронов, рассеивающих фотоны, фотоны начали свободно течь. Эта эпоха наблюдается через реликтовое излучение. Поскольку мы наблюдаем реликтовое излучение как фон для объектов с меньшим красным смещением, мы описываем эту эпоху как переход Вселенной от непрозрачной к прозрачной. Реликтовое излучение физически описывает «поверхность последнего рассеяния», как она представляется нам поверхностью или фоном, как показано на рисунке ниже.

Обратите внимание, что на следующих диаграммах мы используем конформное время . Конформное время описывает количество времени, которое потребуется фотону, чтобы пройти от места наблюдателя до самого дальнего наблюдаемого расстояния (если бы Вселенная прекратила расширяться прямо сейчас).

Синий круг — это поверхность реликтового излучения, которую мы наблюдаем во время последнего рассеяния. Желтые линии описывают, как фотоны рассеивались до эпохи рекомбинации и свободно распространялись после нее. В настоящее время наблюдатель сидит в центре. Для справки.

Считается, что разделение, или последнее рассеяние, произошло примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, или при красном смещении около 0,000 . Мы можем определить как приблизительный угловой диаметр Вселенной, так и физический размер горизонта частиц, существовавшего в это время. ${\displaystyle z_{rec}\approx 1100}$

Расстояние углового диаметра , выраженное в красном смещении , описывается выражением . Если мы предположим плоскую космологию, то ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle d_{A}(z)=r(z)/(1+z)}$

${\displaystyle r(z)=\int _{t_{em}}^{t_{0}}{\frac {dt}{a(t)}}=\int _{a_{em}}^{1}{\frac {da}{a^{2}H(a)}}=\int _{0}^{z}{\frac {dz}{H(z)}}.}$

Эпоха рекомбинации произошла в эпоху, когда во Вселенной доминировала материя, поэтому мы можем приблизительно определить ее как . Объединив все это, мы видим, что расстояние по угловому диаметру или размер наблюдаемой Вселенной для красного смещения составляет ${\displaystyle H(z)}$ ${\displaystyle H^{2}(z)\approx \Omega _{m}H_{0}^{2}(1+z)^{3}}$ ${\displaystyle z_{rec}\approx 1100}$

${\displaystyle r(z)=\int _{0}^{z}{\frac {dz}{H(z)}}={\frac {1}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}\int _{0}^{z}{\frac {dz}{(1+z)^{3/2}}}={\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}\left(1-{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}\right).}$

Поскольку , мы можем аппроксимировать приведенное выше уравнение как ${\displaystyle z\gg 1}$

${\displaystyle r(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}.}$

Подставив это в наше определение расстояния углового диаметра, мы получим

${\displaystyle d_{A}(z)\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}{\frac {1}{1+z}}.}$

Из этой формулы мы получаем расстояние по угловому диаметру космического микроволнового фона как . ${\displaystyle d_{A}(1100)\approx 14\ \mathrm {Mpc} }$

Горизонт частиц описывает максимальное расстояние, которое легкие частицы могли пройти до наблюдателя, учитывая возраст Вселенной. Мы можем определить сопутствующее расстояние для возраста Вселенной на момент рекомбинации, используя ранее полученные данные: ${\displaystyle r(z)}$

${\displaystyle d_{\text{hor,rec}}(z)=\int _{0}^{t(z)}{\frac {dt}{a(t)}}=\int _{z}^{\infty }{\frac {dz}{H(z)}}\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}\left[{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}\right]_{z}^{\infty }\approx {\frac {2}{{\sqrt {\Omega _{m}}}H_{0}}}{\frac {1}{\sqrt {1+z}}}}$

Эта пространственно-временная диаграмма показывает, как световые конусы для двух световых частиц, находящихся на некотором расстоянии друг от друга в момент последнего рассеяния (ls), не пересекаются (т.е. они причинно не связаны). Горизонтальная ось — это расстояние, вертикальная ось — конформное время, а скорость света равна 1. Для справки.

Чтобы получить физический размер горизонта частиц , ${\displaystyle D}$

${\displaystyle D(z)=a(z)d_{\text{hor,rec}}={\frac {d_{\text{hor,rec}}(z)}{1+z}}}$

${\displaystyle D(1100)\approx 0.03~{\text{radians}}\approx 2^{\circ }}$

Мы могли бы ожидать, что любая область реликтового излучения в пределах 2 градусов углового разделения находилась в причинном контакте, но в любом масштабе, превышающем 2 °, не должно было быть обмена информацией.

Области реликтового излучения, разделенные более чем на 2°, лежат вне горизонтов частиц друг друга и причинно не связаны. Проблема горизонта описывает тот факт, что мы видим изотропию температуры реликтового излучения по всему небу, несмотря на то, что все небо не находится в причинном контакте для установления теплового равновесия. Обратитесь к временной диаграмме справа для визуализации этой проблемы.

Если Вселенная начиналась с хотя бы немного отличающихся температур в разных местах, реликтовое излучение не должно быть изотропным, если не существует механизма, который выравнивает температуру к моменту разделения. На самом деле реликтовое излучение имеет одинаковую температуру на всем небе — 2,726 ± 0,001 К. ^[3]

Инфляционная модель

Эта пространственно-временная диаграмма показывает, как инфляция изменяет световые конусы двух световых частиц, находящихся на некотором расстоянии друг от друга во время последнего рассеяния (ls), чтобы позволить им пересечься. В этом случае они находятся в причинном контакте и могут обмениваться информацией друг с другом. Горизонтальная ось — это расстояние, вертикальная ось — конформное время, а скорость света равна 1. Для справки.

Теория космической инфляции попыталась решить эту проблему, постулируя 10-32 ^- секундный период экспоненциального расширения в первую секунду истории Вселенной из-за взаимодействия скалярного поля. ^[4] Согласно инфляционной модели, Вселенная увеличилась в размерах более чем в 10 ^{22 раз} из небольшой и причинно связанной области, находящейся в состоянии, близком к равновесию. ^[5] Затем инфляция быстро расширила Вселенную, изолировав близлежащие области пространства-времени, выведя их за пределы причинного контакта, эффективно «зафиксировав» однородность на больших расстояниях. По сути, инфляционная модель предполагает, что в очень ранней Вселенной Вселенная находилась в причинном контакте. Затем инфляция расширяет эту вселенную примерно на 60 e-складок (масштабный коэффициент an увеличивается в раз ). Мы наблюдаем CMB после того, как инфляция произошла в очень большом масштабе. Он поддерживал тепловое равновесие до такого большого размера из-за быстрого расширения в результате инфляции. ${\displaystyle e^{60}}$

Одним из последствий космической инфляции является то, что анизотропия Большого взрыва, вызванная квантовыми флуктуациями, уменьшается, но не устраняется. Различия в температуре космического фона сглаживаются космической инфляцией, но они все еще существуют. Теория предсказывает спектр анизотропии микроволнового фона, который в основном согласуется с наблюдениями WMAP и COBE . ^[6]

Однако одной гравитации может быть достаточно, чтобы объяснить эту однородность. ^[7]

Теории переменной скорости света

Космологические модели, использующие переменную скорость света, были предложены для решения проблемы горизонта и обеспечения альтернативы космической инфляции . В моделях VSL фундаментальная константа c , обозначающая скорость света в вакууме, в ранней Вселенной больше, чем ее нынешнее значение, что эффективно увеличивает горизонт частиц во время разделения настолько, чтобы объяснить наблюдаемую изотропию реликтового излучения.

Смотрите также

• Проблема плоскостности
• Магнитный монополь

Рекомендации

1. Кэрриган, Ричард А.; Троуэр, В. Питер (1983). Магнитные монополи . дои : 10.1007/978-1-4615-7370-8. ISBN 978-1-4615-7372-2.
2. "Космологическая физика".
3. Фикссен, диджей (2009). «Температура космического микроволнового фона». Астрофизический журнал . 707 (2): 916–920. arXiv : 0911.1955 . Бибкод : 2009ApJ...707..916F. дои : 10.1088/0004-637X/707/2/916. S2CID  119217397.
4. Экспозиция по инфляционной космологии, Гэри Скотт Уотсон, факультет физики, Университет Брауна
5. Реммен, Грант Н.; Кэрролл, Шон М. (2014). «Сколько кратностей нам следует ожидать от крупномасштабной инфляции?». Физический обзор D . 90 (6): 063517. arXiv : 1405.5538 . Бибкод : 2014PhRvD..90f3517R. doi : 10.1103/PhysRevD.90.063517. ISSN  1550-7998. S2CID  37669055.
6. Старкман, Гленн Д. и Доминик Дж. Шварц; Scientific American (требуется подписка)
7. Фаджман, Дэвид (22 сентября 2020 г.). «Гравитация вызывает однородность Вселенной».

Внешние ссылки

• Различные горизонты космологии