Космологический горизонт

Космологический горизонт — это мера расстояния, с которого можно получить информацию. ^[1] Это наблюдаемое ограничение обусловлено различными свойствами общей теории относительности , расширяющейся Вселенной и физикой Большого взрыва космологии . Космологические горизонты определяют размер и масштаб наблюдаемой Вселенной . В этой статье объясняются некоторые из этих горизонтов.

Горизонт частиц

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

С точки зрения сопутствующего расстояния горизонт частиц равен конформному времени, прошедшему с момента Большого взрыва, умноженному на скорость света. В общем, конформное время в определенный момент времени выражается через масштабный коэффициент. $a$ к, $\eta (t)=\int _{0}^{t}{\frac {dt'}{a(t')}}$ или $\eta (a)=\int _{0}^{a}{\frac {1}{a'H(a')}}{\frac {da'}{a'}}\,.$ Горизонт частиц — это граница между двумя областями в определенной точке в данный момент времени: одна область определяется событиями, которые уже наблюдались наблюдателем, а другая — событиями, которые не могут наблюдаться в этот момент . Оно представляет собой самое дальнее расстояние, с которого мы можем получить информацию из прошлого, и таким образом определяет наблюдаемую Вселенную. ^[1]

Горизонт Хаббла

Радиус Хаббла, сфера Хаббла (не путать с пузырём Хаббла ), объём Хаббла или горизонт Хаббла — это концептуальный горизонт, определяющий границу между частицами, которые движутся медленнее и быстрее, чем скорость света относительно наблюдателя в данный момент времени. . Обратите внимание, что это не означает, что частица ненаблюдаема; свет из прошлого доходит и еще какое-то время будет доходить до наблюдателя. Кроме того, что еще более важно, в текущих моделях расширения свет, излучаемый радиусом Хаббла, достигнет нас за конечное время.

Распространено заблуждение, что свет из радиуса Хаббла никогда не сможет достичь нас. В моделях, предполагающих уменьшение $H$ со временем (некоторые случаи Вселенной Фридмана ), в то время как частицы радиуса Хаббла удаляются от нас со скоростью света, радиус Хаббла со временем становится больше, поэтому свет, излучаемый к нам от частицы радиуса Хаббла, будет внутри Хаббла радиус некоторое время спустя. В таких моделях только свет, излучаемый за космический горизонт событий или дальше, никогда не достигнет нас за конечное время.

Хаббловская скорость объекта определяется законом Хаббла : $v=xH.$ Замена $v$ со скоростью света $c$ и решение для правильного расстояния ${\textstyle x}$ мы получаем радиус сферы Хаббла как $r_{\text{HS}}(t)={\frac {c}{H(t)}}\,.$ В постоянно ускоряющейся Вселенной, если две частицы разделены расстоянием, превышающим радиус Хаббла, они с этого момента не смогут разговаривать друг с другом (как сейчас, а не как в прошлом). Однако, если бы они находились за пределами горизонта частиц друг друга, они бы никогда не смогли общаться. ^[2] В зависимости от формы расширения Вселенной они, возможно, смогут обмениваться информацией в будущем. Сегодня, $r_{\text{HS}}(t_{0})={\frac {c}{H_{0}}}\,,$ что дает горизонт Хаббла около 4,1 гигапарсека. Этот горизонт на самом деле не является физическим размером, но его часто используют в качестве полезной шкалы длины, поскольку большинство физических размеров в космологии можно записать через эти факторы.

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

Горизонт событий

Горизонт частиц отличается от космического горизонта событий тем, что горизонт частиц представляет собой наибольшее сопутствующее расстояние , с которого свет мог достичь наблюдателя за определенное время, в то время как космический горизонт событий представляет собой самое большое сопутствующее расстояние, с которого свет, излучаемый 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 находится в пределах нашего наблюдаемого диапазона, определяемого горизонтом частиц. ^[4]

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

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

Горизонт будущего

В ускоряющейся Вселенной происходят события, которые невозможно наблюдать, поскольку $t\rightarrow \infty$ поскольку сигналы будущих событий смещаются в красную сторону до произвольно длинных волн в экспоненциально расширяющемся пространстве де Ситтера . Это устанавливает ограничение на самое дальнее расстояние, которое мы можем сегодня измерить в единицах правильного расстояния. Или, точнее, существуют события, пространственно разделенные для определенной системы отсчета, происходящие одновременно с событием, происходящим прямо сейчас, сигнал о котором никогда не дойдет до нас, даже если мы можем наблюдать события, которые произошли в том же месте в пространстве, что и произошло в далеком прошлом. ^[6]

Хотя мы будем продолжать получать сигналы из этого места в космосе, даже если мы будем ждать бесконечное количество времени, сигнал, вышедший из этого места сегодня, никогда не достигнет нас. Сигналы, исходящие из этого места, будут иметь все меньше и меньше энергии и будут все менее и менее частыми, пока это место практически не станет ненаблюдаемым. Во вселенной, в которой доминирует темная энергия , которая претерпевает экспоненциальное расширение масштабного фактора , все объекты, которые гравитационно несвязаны по отношению к Млечному Пути, станут ненаблюдаемыми в футуристической версии вселенной Каптейна . ^[7]

Практические горизонты

Хотя это технически не «горизонты» 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 котором может свободно перемещаться любой фотон. Точно так же существует «нейтринный горизонт», установленный для самого дальнего расстояния, на котором нейтрино может свободно течь , и горизонт гравитационных волн для самого дальнего расстояния, на котором могут свободно течь гравитационные волны . Последнее, по прогнозам, станет прямым сигналом конца космической инфляции .

См. также

Убийственный горизонт

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б 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 . S2CID 119614479 .
^ Додельсон, Скотт (2003). Современная космология . Академическая пресса . п. 146.
^ Ларс Бергстрем и Ариэль Губар: «Космология и физика элементарных частиц», WILEY (1999), стр. 65. ISBN 0-471-97041-7
^ Лайнвивер, Чарльз Х.; Дэвис, Тамара М. (март 2005 г.). «Заблуждения о Большом взрыве». Научный американец . 292 (3): 36–45. Бибкод : 2005SciAm.292c..36L . doi : 10.1038/scientificamerican0305-36 . ISSN 0036-8733 .
^ Массимо Джованнини (2008). Введение в физику космического микроволнового фона . Всемирная научная . стр. 70 –. ISBN 978-981-279-142-9 . Проверено 1 мая 2011 г.
^ Краусс, Лоуренс М.; Шеррер, Роберт Дж.; Чепа, Хорди (2007). «Возвращение статичной Вселенной и конец космологии». Общая теория относительности и гравитация . 39 (10): 1545. arXiv : 0704.0221 . Бибкод : 2007GReGr..39.1545K . дои : 10.1007/s10714-007-0472-9 . S2CID 123442313 .
^ Краусс, Лоуренс М.; Шеррер, Роберт Дж.; Чепа, Хорди (2007). «Возвращение статичной Вселенной и конец космологии». Общая теория относительности и гравитация . 39 (10): 1545. arXiv : 0704.0221 . Бибкод : 2007GReGr..39.1545K . дои : 10.1007/s10714-007-0472-9 . S2CID 123442313 .

Внешние ссылки

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

[Berta-1] Jump up to: ^а ^б 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 . S2CID 119614479 .

[2] Додельсон, Скотт (2003). Современная космология . Академическая пресса . п. 146.

[3] Ларс Бергстрем и Ариэль Губар: «Космология и физика элементарных частиц», WILEY (1999), стр. 65. ISBN 0-471-97041-7

[4] Лайнвивер, Чарльз Х.; Дэвис, Тамара М. (март 2005 г.). «Заблуждения о Большом взрыве». Научный американец . 292 (3): 36–45. Бибкод : 2005SciAm.292c..36L . doi : 10.1038/scientificamerican0305-36 . ISSN 0036-8733 .

[Giovannini-5] Массимо Джованнини (2008). Введение в физику космического микроволнового фона . Всемирная научная . стр. 70 –. ISBN 978-981-279-142-9 . Проверено 1 мая 2011 г.

[6] Краусс, Лоуренс М.; Шеррер, Роберт Дж.; Чепа, Хорди (2007). «Возвращение статичной Вселенной и конец космологии». Общая теория относительности и гравитация . 39 (10): 1545. arXiv : 0704.0221 . Бибкод : 2007GReGr..39.1545K . дои : 10.1007/s10714-007-0472-9 . S2CID 123442313 .

[7] Краусс, Лоуренс М.; Шеррер, Роберт Дж.; Чепа, Хорди (2007). «Возвращение статичной Вселенной и конец космологии». Общая теория относительности и гравитация . 39 (10): 1545. arXiv : 0704.0221 . Бибкод : 2007GReGr..39.1545K . дои : 10.1007/s10714-007-0472-9 . S2CID 123442313 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]