Horyzont kosmologiczny

Horyzont kosmologiczny jest miarą odległości, z której można ewentualnie uzyskać informacje. To obserwowalne ograniczenie wynika z różnych właściwości ogólnej teorii względności , rozszerzającego się Wszechświata i fizyki kosmologii Wielkiego Wybuchu . Horyzonty kosmologiczne określają rozmiar i skalę obserwowalnego wszechświata . W tym artykule wyjaśniono kilka z tych horyzontów.

Horyzont cząstek

Horyzont cząstek (zwany także horyzontem kosmologicznym, horyzontem współprzemieszczającym się lub horyzontem światła kosmicznego) to maksymalna odległość, z jakiej światło cząstek mogło dotrzeć do obserwatora w epoce wszechświata . 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, jak w horyzoncie Hubble'a, ale raczej prędkość światła pomnożona przez czas konforemny. Istnienie, właściwości i znaczenie horyzontu kosmologicznego zależą od konkretnego modelu kosmologicznego.

Jeśli chodzi o odległość współprzemieszczania się, horyzont cząstek jest równy czasowi konforemnemu, jaki upłynął od Wielkiego Wybuchu, pomnożonemu przez prędkość światła. Ogólnie rzecz biorąc, czas konforemny w określonym czasie jest podawany za pomocą ${\ displaystyle a}$ skali przez, za

{\ Displaystyle \ eta (t) = \ int _ {0} ^ {t} {\ Frac {dt'} {a (t')}}}

Lub

{\ Displaystyle \ eta (a) = \ int _ {0} ^ {a} {\ Frac {1} {a'H ( a')}}{\frac {da'}{a'}}}

.

Horyzont cząstek to granica między dwoma obszarami w punkcie w danym czasie: jeden obszar określony przez zdarzenia, które obserwator już zaobserwował, a drugi przez zdarzenia, których nie można zaobserwować w tym czasie . Reprezentuje najdalszą odległość, z której możemy wydobyć informacje z przeszłości, iw ten sposób definiuje obserwowalny wszechświat.

Horyzont Hubble'a

Promień Hubble'a , kula Hubble'a (nie mylić z bańką Hubble'a ), objętość Hubble'a lub horyzont Hubble'a to koncepcyjny horyzont określający granicę między cząstkami, które poruszają się wolniej i szybciej niż prędkość światła względem obserwatora w danym momencie . Zauważ, że nie oznacza to, że cząstka jest nieobserwowalna; światło z przeszłości dociera i jeszcze przez jakiś czas będzie docierać do obserwatora. Ponadto, co ważniejsze, w obecnych modelach ekspansji światło emitowane z promienia Hubble'a dotrze do nas w skończonym czasie. Powszechnym błędem jest przekonanie, że światło z promienia Hubble'a nigdy do nas nie dotrze. W modelach zakładających zmniejszanie się $wszechświata$ czasie (niektóre przypadki Friedmanna ), podczas gdy cząstki na promieniu Hubble'a oddalają się od nas z prędkością światła, promień Hubble'a zwiększa się z czasem, więc światło emitowane w naszym kierunku z a cząstka na promieniu Hubble'a jakiś czas później znajdzie się wewnątrz promienia Hubble'a. W takich modelach tylko światło emitowane z kosmicznego horyzontu zdarzeń lub dalej nigdy nie dotrze do nas w skończonym czasie.

Prędkość Hubble'a obiektu jest określona przez prawo Hubble'a ,

{\ displaystyle v = xH}

.

Zastępując z prędkością światła $otrzymujemy$ rozwiązując odpowiednią odległość, promień kuli Hubble'a jako $displaystyle v}$ $\$

{\ Displaystyle R _ {\ tekst {HS}} (t) = {\ Frac {c} {H (t)}}}

.

W stale przyspieszającym wszechświecie, jeśli dwie cząstki są od siebie oddalone o odległość większą niż promień Hubble'a, nie mogą odtąd rozmawiać ze sobą (tak jak teraz, a nie jak w przeszłości). znajdują się poza swoim horyzontem cząstek, nigdy nie mogłyby się komunikować. W zależności od formy ekspansji wszechświata, być może będą w stanie w przyszłości wymieniać się informacjami. Dzisiaj,

{\ Displaystyle R _ {\ tekst {HS}} (t_ {0}) = {\ Frac {c} {H_ {0}}}}

,

dając horyzont Hubble'a o wielkości około 4,1 gigaparseka. Ten horyzont nie jest tak naprawdę wielkością fizyczną, ale jest często używany jako użyteczna skala długości, ponieważ większość rozmiarów fizycznych w kosmologii można zapisać w kategoriach tych czynników.

Można również zdefiniować współbieżny horyzont Hubble'a, po prostu dzieląc promień Hubble'a przez współczynnik skali

{\ Displaystyle R _ {{\ tekst {HS}} \ operatorname {comoving}} (t) = {\ Frac {c}{a(t)H(t)}}}

.

Horyzont zdarzeń

Horyzont cząstek różni się od kosmicznego horyzontu zdarzeń tym, że horyzont cząstek reprezentuje największą współprzemieszczającą się odległość , z której światło mogło dotrzeć do obserwatora w określonym czasie, podczas gdy horyzont zdarzeń jest największą współprzemieszczającą się odległością, z której emitowane teraz światło może kiedykolwiek dotrzeć obserwator w przyszłości. Obecna odległość do naszego kosmicznego horyzontu zdarzeń wynosi około pięciu gigaparseków (16 miliardów lat świetlnych), co mieści się w naszym obserwowalnym zasięgu określonym przez horyzont cząstek.

Ogólnie rzecz biorąc, właściwa odległość do horyzontu zdarzeń w czasie jest określona przez ${\ displaystyle t}$

{\ Displaystyle d_ {e} (t) = a (t) \ int _ {t} ^ {t_ {\ tekst {max}}}{\frac {cdt'}{a(t')}}}

gdzie $końca$ wszechświata, która byłaby nieskończona w przypadku wszechświata, który rozszerza się w

W naszym przypadku, zakładając, że ciemna energia wynika ze stałej kosmologicznej Λ , będzie istniał minimalny parametr Hubble'a He _określany i maksymalny horyzont d _{e , który jest często} jako jedyny horyzont cząstek:

{\ Displaystyle \ max (d_ {e}) = {\ Frac {c} {H_ {e}}} = {\ sqrt {\ tfrac {3}{\Lambda}}}={\frac {c}{{\sqrt {\Omega _{\Lambda}}}H_{0}}}=17,55} Gly

.

Horyzont przyszłości

We wszechświecie przyspieszającym są zdarzenia, które będą nieobserwowalne, $sygnały$ przyszłych zdarzeń zostaną czerwieni do dowolnie długich fal w rozszerzającej się wykładniczo przestrzeni de Sittera . To wyznacza granicę najdalszej odległości, jaką możemy dziś zobaczyć, mierzoną w jednostkach właściwej odległości. A dokładniej, istnieją zdarzenia, które są przestrzennie oddzielone dla pewnego układu odniesienia, dziejące się jednocześnie ze zdarzeniem zachodzącym w tej chwili, dla którego żaden sygnał nigdy do nas nie dotrze, mimo że możemy obserwować zdarzenia, które miały miejsce w tym samym miejscu w przestrzeni, które wydarzyło się w odległej przeszłości . Podczas gdy będziemy nadal odbierać sygnały z tego miejsca w kosmosie, nawet jeśli będziemy czekać nieskończoną ilość czasu, sygnał, który wyszedł z tego miejsca dzisiaj, nigdy do nas nie dotrze. Dodatkowo sygnały pochodzące z tej lokalizacji będą miały coraz mniejszą energię i będą coraz rzadsze, aż do momentu, gdy lokalizacja, ze wszystkich praktycznych względów, stanie się niemożliwa do zaobserwowania. We wszechświecie zdominowanym przez ciemną energię , która przechodzi wykładniczą ekspansję współczynnika skali , wszystkie obiekty niezwiązane grawitacyjnie w stosunku do Drogi Mlecznej staną się nieobserwowalne w futurystycznej wersji wszechświata Kapteyna .

Praktyczne horyzonty

Chociaż technicznie nie są to „horyzonty” w sensie niemożności obserwacji ze względu na teorię względności lub rozwiązania kosmologiczne, istnieją horyzonty praktyczne, które obejmują horyzont optyczny, ustawiony na powierzchni ostatniego rozproszenia . Jest to najdalsza odległość, na jaką dowolny foton może swobodnie przepływać. Podobnie istnieje „horyzont neutrinowy” ustawiony na najdalszą odległość, na jaką neutrino może swobodnie przepływać, oraz horyzont fal grawitacyjnych na najdalszą odległość, na jaką fale grawitacyjne mogą swobodnie przepływać . Przewiduje się, że ta ostatnia będzie bezpośrednią sondą końca kosmicznej inflacji .

Linki zewnętrzne

Klauber, Robert D. (9 października 2018). „Horyzonty w kosmologii” (PDF) .