Horyzont cząstek

Horyzont cząstek (zwany także horyzontem kosmologicznym , horyzontem współruchowym (w tekście Dodelsona) lub kosmicznym horyzontem świetlnym ) to maksymalna odległość, z jakiej światło cząstek mogło dotrzeć do obserwatora w epoce wszechświata . Podobnie jak koncepcja horyzontu ziemskiego , reprezentuje granicę między obserwowalnymi i nieobserwowalnymi regionami wszechświata, więc jego odległość w obecnej epoce określa rozmiar obserwowalnego wszechświata . Ze względu na ekspansję wszechświata nie jest to po prostu wiek wszechświata pomnożony przez prędkość światła (około 13,8 miliarda lat świetlnych), ale raczej prędkość światła pomnożona przez czas konforemny. Istnienie, właściwości i znaczenie horyzontu kosmologicznego zależą od konkretnego modelu kosmologicznego .

Czas konformalny i horyzont cząstek

Pod względem współprzemieszczającej się odległości horyzont cząstek jest równy czasowi konforemnemu od Wielkiego Wybuchu , pomnożonemu przez światła . Ogólnie rzecz biorąc, czas konforemny w określonym czasie jest określony przez

gdzie jest Friedmanna Lemaître – Robertsona – Walkera i przyjęliśmy, że Wielki Wybuch miał miejsce w t . Zgodnie z konwencją, indeks dolny 0 oznacza „dzisiaj”, tak że dzisiejszy czas konformalny . Zauważ, że czas konforemny nie jest wiekiem wszechświata , który szacuje się na około . Czas konformalny to raczej czas potrzebny fotonowi na przemieszczenie się z miejsca, w którym się znajdujemy, do najdalszej obserwowalnej odległości, pod warunkiem, że wszechświat przestałby się rozszerzać. W związku z tym nie jest fizycznie znaczącym czasem (tyle czasu jeszcze nie minęło); chociaż, jak zobaczymy, horyzont cząstek, z którym jest powiązany, jest koncepcyjnie znaczącą odległością.

Horyzont cząstek cofa się stale w miarę upływu czasu, a czas konforemny rośnie. W związku z tym obserwowany rozmiar wszechświata zawsze wzrasta. Ponieważ właściwa odległość w danym czasie to po prostu współprzemieszczająca się odległość razy współczynnik skali (z się odległością zwykle definiowaną jako równą właściwej odległości w chwili obecnej, więc za obecnie), właściwa odległość do horyzontu cząstek w czasie jest określona przez

a na dziś

Ewolucja horyzontu cząstek

W tej sekcji rozważymy model kosmologiczny FLRW . W tym kontekście wszechświat można w przybliżeniu przedstawić jako złożony z niewchodzących w interakcje składników, z których każdy jest doskonałym płynem o gęstości , p p { sumują się do całkowitej gęstości i całkowite ciśnienie . . Zdefiniujmy teraz następujące funkcje:

  • Funkcja Hubble'a
  • do
  • I -ta bezwymiarowa gęstość energii
  • do
  • przesunięcie określone wzorem

indeksem oznacza funkcję ocenianą w chwili obecnej lub Ostatnim wyrazem można przyjąć, że równanie stanu krzywizny Można udowodnić, że funkcja Hubble'a jest dana przez

gdzie wykładnik rozcieńczenia . Zauważ, że dodawanie rozciąga się na wszystkie możliwe składniki cząstkowe, aw szczególności może ich być policzalnie nieskończenie wiele. Z tym zapisem mamy:

gdzie ( prawdopodobnie Ewolucja horyzontu cząstek dla rozszerzającego się wszechświata ( ) to:

gdzie prędkością światła i można ją przyjąć jako ( jednostki naturalne ). Zauważ, że pochodna jest wykonywana w odniesieniu do czasu FLRW gdy funkcje są oceniane przy przesunięciu , które są powiązane, jak stwierdzono wcześniej. Analogiczny, ale nieco inny wynik mamy dla horyzontu zdarzeń .

Kwestia horyzontu

Koncepcję horyzontu cząstek można wykorzystać do zilustrowania słynnego problemu horyzontu, który jest nierozwiązanym zagadnieniem związanym z modelem Wielkiego Wybuchu . Ekstrapolując wstecz do czasu rekombinacji , kiedy emitowane było kosmiczne mikrofalowe tło (CMB), otrzymujemy horyzont cząstek o wielkości ok.

co odpowiada odpowiedniej wielkości w tym czasie:

Ponieważ obserwujemy, że CMB jest emitowane zasadniczo z naszego horyzontu cząstek ( ) części kosmicznego ( CMB), które są oddzielone o około ułamek wielkiego koła na niebie

( rozmiar kątowy ) powinien sobą związku To, że całe CMB jest w równowadze termicznej i tak dobrze zbliża się do ciała doskonale czarnego , nie jest zatem wyjaśnione przez standardowe wyjaśnienia dotyczące sposobu, w jaki postępuje rozszerzanie się Wszechświata . Najpopularniejszym rozwiązaniem tego problemu jest kosmiczna inflacja .

Zobacz też